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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTA DE INGENIERÍA MECÁNICA
EVALUACIÓN DE LA SOLDABILIDAD DEL HIERRO FUNDIDO NODULAR CON PROCESO DE SOLDADURA GTAW
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
MOYA LÓPEZ ALEXANDER VLADIMIR
VACA GUATO MEDARDO JOSÉ
DIRECTORA: ING. VERÓNICA SOTOMAYOR
COLABORADOR: ING. GABRIEL VELASTEGUÍ
Quito, Septiembre 2016
i
DECLARACIÓN
Nosotros, Alexander Vladimir Moya López y, Medardo José Vaca Guato, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado por ningún grado o calificación personal; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional, puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, de acuerdo a lo establecido por la ley de propiedad intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional vigente.
______________________ ______________________
Alexander Vladimir Moya López Medardo José Vaca Guato
ii
CERTIFICACIÓN
Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por los señores Alexander Vladimir Moya López, y Medardo José Vaca Guato, bajo nuestra supervisión.
__________________________
ING. VERÓNICA SOTOMAYOR
DIRECTORA DEL PROYECTO
__________________________
ING. GABRIEL VELASTEGUÍ
COLABORADOR DEL PROYECTO
iii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la Escuela Politécnica Nacional por acogerme en sus aulas y
enseñarme lo que sé ahora, a todos los profesores que durante mi carrera
universitaria supieron guiarme y hacer de mí una mejor persona y un excelente
profesional.
Agradezco a mi familia por su apoyo incondicional durante esta etapa académica. A
mis padres, Luis y Narciza, por sus sabios consejos y su amor infinito, por darme ese
ejemplo de lucha y esfuerzo diario para ser siempre mejor. A mis hermanas Paola y
Katherine por ser mis amigas incondicionales dentro y fuera del hogar.
Agradezco a nuestra directora: Ing. Verónica Sotomayor, por su buena predisposición
y su ayuda incondicional para sacar adelante este proyecto. A nuestro colaborador:
Ing. Gabriel Velasteguí, por la paciencia y su excelente labor para culminar con éxito
éste trabajo.
A mi enamorada Laurita Chang, mi mejor amiga y mi ángel de la guarda, gracias por
ese amor infinito y por nunca dejarme solo.
A mis amigos: Juan Carlos Solis y Ricardo Bolaños, por siempre creer en mí y darme
ánimos en los peores momentos. Al Ing. Freddy Bedón, por ser mi hermano mayor y
cuidarme siempre. A todos mis amigos y amigas que con su desinteresada
colaboración han aportado con un granito de arena para alcanzar éste objetivo.
A toda mi familia en general por sus consejos y apoyo incondicional. A todos un
sincero Gracias.
Alexander Moya
"Sin decepciones no se aprecia la victoria".
Anónimo
iv
Agradezco a Dios por su infinita bondad, que me cuida me bendice y es mi guía en el
camino de la vida. A mi padre y mi madre que me dieron la vida, especialmente a mi
madre que es mi motivo y razón para seguir adelante a pesar de los momentos
difíciles, agradezco a toda mi familia por ser el apoyo constante durante esta etapa
académica.
A todas las personas que con sus palabras, ayuda y motivación me impulsaron a
llegar hasta aquí, están en mi mente y corazón. Agradezco a mis amigos y
compañeros de la Facultad de Ingeniería Mecánica, con quienes compartí en las
aulas de clase y cuya amistad nunca se olvidará.
Agradezco a la directora de tesis la Ingeniera Verónica Sotomayor, así como al
colaborador el Ingeniero Gabriel Velasteguí, quienes con su conocimiento,
experiencia y amistad han sido un pilar fundamental en la culminación del proyecto
de titulación.
A los Jefes de Laboratorio y a todo el personal técnico de la Facultad de Ingeniería
Mecánica que colaboraron en los laboratorios respectivos y nos guiaron al realizar la
parte experimental del proyecto.
Agradezco de manera especial a la Señora Glorita Castellanos, el Ingeniero Adrián
Peña y el Doctor Víctor Cárdenas por su constante impulso hacia mi persona en la
mejor facultad de mundo, Ingeniería Mecánica.
Medardo José Vaca
“Ad Altiora Semper”
Hermano Miguel
v
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a mis padres, Luis y Narciza, por el incalculable esfuerzo que
realizan día a día por darnos un mejor futuro.
A mis hermanas, Paola y Katherine, por ser mí consuelo en los momentos de
debilidad.
A mis abuelitas, Teresa y Aída, por ser mí segunda madre toda mi vida, por su cariño
y amor puro.
A mi cómplice y mejor amiga, Laurita Chang, por ser siempre mi apoyo y por su
abrazo sincero que reconforta el alma.
A todos los que hicieron esta meta posible.
Alexander Moya
“En los momentos de crisis solo la imaginación es más importante que el
conocimiento”
Albert Einstein
vi
Este proyecto lo dedico a mi padre y madre, Medardo y Charito, en especial a mi
madre que ha sido mi fuerza, sin su amor y paciencia este logro no habría sido
posible.
A mis tíos Inesita y Luchito, quienes me apoyaron siempre desde mi llegada a la
ciudad capital, gracias por su paciencia.
A mi familia que siempre se preocupó por mi superación personal y profesional.
A todas las personas que llegaron a mi vida para impulsarme en momentos de
debilidad. Dios las puso en mi camino, gracias por apoyarme.
Medardo José Vaca
“E scientia hominis salus”
Escuela Politécnica Nacional
vii
CONTENIDO
DECLARACIÓN ........................................................................................................... i
CERTIFICACIÓN ........................................................................................................ ii
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................ iii
DEDICATORIA ............................................................................................................ v
CONTENIDO ............................................................................................................ vii
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... xvii
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................. xviii
RESUMEN .............................................................................................................. xxiii
PRESENTACIÓN ....................................................................................................xxiv
CAPÍTULO I ESTUDIO DEL HIERRO FUNDIDO ........................................................ 1
1.1 DEFINICIÓN ...................................................................................................... 1
1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA................................................................................. 2
1.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES ................................................................. 2
1.4 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO-CARBURO DE HIERRO ...................... 3
1.5 MICROCONSTITUYENTES DEL HIERRO FUNDIDO ....................................... 4
1.5.1. FERRITA ................................................................................................. 5
1.5.2 AUSTENITA ............................................................................................. 6
1.5.3 CEMENTITA ............................................................................................ 6
1.5.4 GRAFITO ................................................................................................ 6
1.5.5 PERLITA .................................................................................................. 6
1.5.6 LEDEBURITA .......................................................................................... 6
1.5.7 ESTEADITA ............................................................................................. 7
1.6 TIPOS DE HIERRO FUNDIDO .......................................................................... 7
1.6.1 HIERROS FUNDIDOS BLANCOS ........................................................... 7
viii
1.6.2 HIERROS FUNDIDOS MALEABLES ....................................................... 8
1.6.2.1 Fundición maleable ferrítica o estándar ........................................... 10
1.6.2.2 Fundición maleable perlítica ............................................................ 10
1.6.3 HIERROS FUNDIDOS GRISES. ............................................................... 11
1.6.4 HIERROS FUNDIDOS NODULARES ....................................................... 13
1.6.4.1 Hierro nodular ferrítico..................................................................... 16
1.6.4.2 Hierro nodular perlítico .................................................................... 16
1.6.4.3 Hierro nodular perlítico-ferrítico ....................................................... 16
1.6.4.4 Hierro nodular martensítico ............................................................. 17
1.6.4.5 Hierro nodular austenítico ............................................................... 17
1.6.5 HIERROS DE GRAFITO COMPACTO ...................................................... 19
1.6.6 HIERROS FUNDIDOS ALEADOS ............................................................. 20
CAPÍTULO 2 PROCESO DE SOLDADURA GTAW, PARÁMETROS ........................ 21
2.1 DEFINICIÓN ............................................................................................... 21
2.2 PARÁMETROS ........................................................................................... 22
2.2.1 TIPO DE CORRIENTE .......................................................................... 22
2.2.1.1 Corriente directa.............................................................................. 22
2.2.1.1.1 Polaridad................................................................................... 22
2.2.1.2 Corriente alterna ............................................................................. 23
2.2.2 GAS DE PROTECCIÓN ........................................................................ 24
2.2.3 ELECTRODO DE APORTE ................................................................... 26
2.2.3.1 Clasificación de electrodos .............................................................. 27
2.2.4 VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO ................................................... 30
2.2.5 VELOCIDAD DEL ALAMBRE ................................................................ 30
2.2.6 ANTORCHAS DE SOLDADURA ........................................................... 31
ix
2.2.6.1 Tipos de antorchas .......................................................................... 33
2.2.7 METAL DE APORTE – VARILLAS ......................................................... 34
2.2.7.1 Clasificación del metal de aporte ..................................................... 34
2.2.8 GENERALIDADES TÉCNICAS ............................................................. 35
2.2.8.1 Distancia del electrodo .................................................................... 35
2.2.8.2 Ángulo ............................................................................................. 36
2.2.8.3 Caudal de gas ................................................................................. 36
2.2.9 POSICIONES DE SOLDADURA ........................................................... 37
2.2.10 TIPOS DE BISEL ............................................................................... 38
2.3 VENTAJAS DEL PROCESO ....................................................................... 39
2.4 DESVENTAJAS DEL PROCESO ................................................................ 39
CAPÍTULO 3 SOLDABILIDAD DEL HIERRO FUNDIDO NODULAR......................... 40
3.1 SOLDABILIDAD .......................................................................................... 40
3.2 TIPOS DE SOLDABILIDAD ........................................................................ 41
3.2.1 SOLDABILIDAD METALÚRGICA .......................................................... 41
3.2.2 SOLDABILIDAD OPERATIVA ................................................................ 41
3.2.3 SOLDABILIDAD CONSTRUCTIVA O GLOBAL ..................................... 41
3.3 DIFICULTADES EN LA SOLDABILIDAD DE FUNDICIONES ...................... 42
3.3.1 EL METAL DE SOLDADURA ................................................................. 42
3.3.2 ZONA DE FUSIÓN ................................................................................ 42
3.3.3 ESFUERZOS DE SOLDADURA ............................................................ 43
3.3.4 POROSIDAD ......................................................................................... 44
3.4 SOLDABILIDAD DEL HIERRO FUNDIDO NODULAR ................................ 44
3.4.1 PROPIEDADES DEL NÍQUEL Y SU AFINIDAD CON EL HIERRO ........ 45
3.5 ENSAYOS DE SOLDABILIDAD .................................................................. 46
x
3.5.1 ENSAYOS DIRECTOS DE SOLDABILIDAD .......................................... 47
3.5.1.1 Ensayo de desgarre ......................................................................... 47
3.5.1.2 Ensayo Houldcroft ........................................................................... 47
3.5.1.3 Ensayo Varestraint .......................................................................... 48
3.5.1.4 Ensayo Tekken ................................................................................ 49
3.5.1.5 Ensayo Vinkier ................................................................................ 50
3.6 PROGRAMA DE ENSAYO DE SOLDABILIDAD SEGÚN AWS ....................... 50
3.7 DESARROLLO DEL ENSAYO DE SOLDABILIDAD SEGÚN AWS ............. 51
3.8 PROGRAMA DE ENSAYO USADO POR EL COMITÉ DE SOLDADURA DE
FUNDICIONES DE HIERRO ................................................................................. 51
3.8.1 PRIMERA SERIE ................................................................................... 51
3.8.2 SEGUNDA SERIE ................................................................................. 52
3.8.3 TERCERA SERIE .................................................................................. 52
3.9. EQUIPAMIENTO REQUERIDO PARA DE ENSAYO MEDIANTE PROCESO
GTAW ……………………………………………………………………………………...53
3.10 CONDICIONES DE SOLDADURA REQUERIDAS PARA EL ENSAYO
MEDIANTE PROCESO GTAW .............................................................................. 54
3.11 RESULTADOS DEL ENSAYO DE SOLDABILIDAD SEGÚN AWS .............. 54
3.12 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA SOLDABILIDAD ......................... 55
3.12.1 FACTORES OPERATIVOS ................................................................ 55
3.12.1.1 Diseño de la junta ........................................................................... 55
3.12.1.2 Rango de aporte de calor ............................................................... 56
3.12.1.3 Presencia de contaminantes .......................................................... 57
3.12.1.4 Capacidad del operador ................................................................. 57
3.12.2 FACTORES METALÚRGICOS ........................................................... 57
xi
3.12.2.1 Transformaciones metalúrgicas ...................................................... 57
3.12.3 DEFECTOS DE SOLDADURA EN FUNDICIONES ............................ 59
3.12.3.1 Contracciones de solidificación ...................................................... 59
3.13 ZONA AFECTADA POR EL CALOR (ZAC) ................................................. 61
CAPÍTULO 4 PROCESO EXPERIMENTAL .............................................................. 63
4.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 63
4.2 SELECCIÓN DEL MATERIAL BASE ........................................................... 63
4.2.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL .................................................. 64
4.2.1.1 Dimensiones ................................................................................... 64
4.2.1.2 Composición química ...................................................................... 65
4.2.1.3 Características generales ................................................................ 67
4.2.1.4 Defectos del material base .............................................................. 67
4.3 SELECCIÓN DEL ELECTRODO ................................................................ 68
4.4 MAQUINADO DE PROBETAS .................................................................... 69
4.5 PROCESO DE SOLDADURA ..................................................................... 73
4.5.1 RÉGIMEN DE TRABAJO PARA EL HORNO ELÉCTRICO .................... 73
4.5.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURA ........................................................... 75
4.5.3 RÉGIMEN DE TRATAMIENTO TÉRMICO EN LAS SERIES ................. 76
4.5.3.1 Régimen de tratamiento térmico para la primera serie .................... 76
4.5.3.1.1 Régimen de tratamiento térmico para la primera probeta ........... 76
4.5.3.1.2 Régimen de tratamiento térmico para la segunda probeta ......... 76
4.5.3.1.3 Régimen de tratamiento térmico para la tercera probeta ............ 77
4.5.3.1.4 Régimen de tratamiento térmico para la cuarta probeta ............. 77
4.5.3.1.5 Régimen de tratamiento térmico para la quinta probeta ............. 78
4.5.3.2 Régimen de tratamiento térmico para la segunda serie................... 78
xii
4.5.3.2.1 Régimen de tratamiento térmico para la primera probeta ........... 78
4.5.3.2.2 Régimen de tratamiento térmico para la segunda probeta ......... 79
4.5.3.2.3 Régimen de tratamiento térmico para la tercera probeta ............ 79
4.5.3.2.4 Régimen de tratamiento térmico para la cuarta probeta ............. 80
4.5.3.3 Régimen de tratamiento térmico para la tercera serie ..................... 81
4.5.3.3.1 Régimen de tratamiento térmico para las cuatro probetas ......... 81
4.5.4 TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO SEGÚN CARBONO
EQUIVALENTE .................................................................................................. 82
4.5.5 DISEÑO DE LA JUNTA DE SOLDADURA ............................................. 86
4.5.6 DISEÑO DEL CUPÓN DE SOLDADURA .............................................. 87
4.5.7 PROCESO DE SOLDADURA ................................................................ 88
4.5.8 ENFRIAMIENTO POST-SOLDADURA .................................................. 90
4.6 TINTAS PENETRANTES ............................................................................ 91
4.6.1 FUNDAMENTO DEL MÉTODO ............................................................. 92
4.6.2 CLASIFICACIÓN DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES ........................ 92
4.6.2.1 Proceso A1-B1 ................................................................................ 93
4.6.2.2 Proceso A2-B2 ................................................................................ 93
4.6.2.3 Proceso A3-B3 ................................................................................ 94
4.6.3 SELECCIÓN DE TINTAS PENETRANTES............................................ 94
4.6.4 APLICACIÓN DE LA PRUEBA DE TINTAS PENETRANTES ................ 95
4.6.4.1 Preparación del material soldado .................................................... 95
4.6.4.2 Limpieza del material soldado ......................................................... 96
4.6.4.3 Aplicación de líquido penetrante ..................................................... 96
4.6.4.4 Limpieza del exceso de tinta penetrante ......................................... 97
4.6.4.5 Aplicación del revelador .................................................................. 98
xiii
4.6.4.6 Inspección visual ............................................................................ 98
4.6.4.7 Limpieza final .................................................................................. 98
4.7 ENSAYOS DESTRUCTIVOS ...................................................................... 99
4.7.1 ENSAYO DE TRACCIÓN .................................................................... 100
4.7.1.1 Especificaciones para las probetas de tracción ............................. 100
4.7.1.2 Preparación de probetas T1 y T2 ................................................... 101
4.7.1.3 Inspección visual de las probetas T1 y T2 ...................................... 102
4.7.1.4 Realización del ensayo de tracción ............................................... 103
4.7.2 ENSAYO DE DOBLADO...................................................................... 104
4.7.2.1 Especificaciones para las probetas de doblado ............................. 104
4.7.2.2 Preparación de probetas DC y DR .................................................. 104
4.7.2.3 Inspección visual de las probetas DC y DR .................................... 105
4.7.2.4 Realización del ensayo de doblado ............................................... 105
4.8 ANÁLISIS METALOGRÁFICO .................................................................. 106
4.8.1 PREPARACIÓN DE LA PROBETA ...................................................... 106
4.8.1.1 Desbaste grueso ........................................................................... 106
4.8.1.2 Desbaste fino ................................................................................ 107
4.8.1.3 Pulido ............................................................................................ 108
4.8.1.4 Ataque químico ............................................................................. 108
4.8.2 MACROGRAFÍA .................................................................................. 109
4.8.3 DUREZA .............................................................................................. 110
4.8.4 MICROGRAFÍA ................................................................................... 112
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................ 113
5.1 RESULTADOS DEL PROCESO DE SOLDABILIDAD ............................... 113
5.1.1 RESULTADOS DE LA PRIMERA SERIE ............................................. 113
xiv
5.1.1.1 Resultados a temperatura ambiente.............................................. 113
5.1.1.2 Resultados a 121 °C ..................................................................... 114
5.1.1.3 Resultados a 260 °C ..................................................................... 114
5.1.1.4 Resultados a 400 °C ..................................................................... 115
5.1.1.5 Resultados a 540 °C ..................................................................... 116
5.1.1.6 Análisis final de resultados de la primera serie .............................. 116
5.1.2 RESULTADOS DE LA SEGUNDA SERIE ............................................ 116
5.1.2.1 Resultados a 288 °C ..................................................................... 117
5.1.2.2 Resultados a 316 °C ..................................................................... 117
5.1.2.3 Resultados a 343 °C ..................................................................... 118
5.1.2.4 Resultados a 371 °C ..................................................................... 118
5.1.2.5 Análisis final de resultados de la segunda serie ............................ 119
5.1.3 RESULTADOS DE LA TERCERA SERIE ............................................. 119
5.1.3.1 Resultados a 322 °C ..................................................................... 119
5.1.3.2 Resultados a 327 °C ..................................................................... 120
5.1.3.3 Resultados a 333 °C ..................................................................... 121
5.1.3.4 Resultados a 338 °C ..................................................................... 121
5.1.3.5 Análisis final de resultados de la tercera serie ............................... 122
5.1.4 RESULTADOS DEL CORDÓN DE SOLDADURA DE LAS PLACAS ... 122
5.2 RESULTADOS DE ENSAYOS DESTRUCTIVOS ...................................... 123
5.2.1 ENSAYO DE TRACCIÓN .................................................................... 123
5.2.1.1 Probeta T1 ..................................................................................... 124
5.2.1.2 Probeta T2 ..................................................................................... 126
5.2.2 ENSAYO DE DOBLADO...................................................................... 128
xv
5.2.2.1 Probeta DC .................................................................................... 129
5.2.2.2 Probeta DR .................................................................................... 130
5.3 RESULTADOS DE METALOGRAFÍA ........................................................ 132
5.3.1 MACROGRAFÍA .................................................................................. 132
5.3.2 DUREZA .............................................................................................. 134
5.3.3 MICROGRAFÍA ................................................................................... 137
5.3.3.1 Análisis de tamaño y tipo de grafito ............................................... 137
5.3.3.2 Diferentes zonas presentes en la micrografía ............................... 139
5.3.3.3 Tipo de matriz presente en la micrografía ..................................... 139
5.3.4 ANÁLISIS FINAL ................................................................................. 141
CAPÍTULO 6 CONSIDERACIONES PARA LA ELABORACIÓN DEL
PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA ..................................................................... 142
6.1 PROCEDIMIENTO .................................................................................... 142
6.1.1 MAQUINADO DE PROBETAS............................................................. 142
6.1.2 PRECALENTAMIENTO DE PROBETAS ............................................. 143
6.1.3 SOLDADURA DE PLACAS.................................................................. 144
6.1.4 INSPECCIÓN DE LA SOLDADURA .................................................... 146
6.2 MATERIALES Y EQUIPOS ....................................................................... 146
6.2.1 MATERIALES ...................................................................................... 146
6.2.2 EQUIPOS ............................................................................................ 148
6.3 PROBLEMAS COMÚNES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA .. 148
6.3.1 ERRORES EN LAS CONEXIONES DE LA MÁQUINA ........................ 148
6.3.2 ERRORES EN EL PROCEDIMIENTO TIG .......................................... 148
6.4 PRECAUCIONES GENERALES ............................................................... 149
6.4.1 FUEGO ................................................................................................ 150
xvi
6.4.2 HUMO ................................................................................................. 150
6.4.3 EXPLOSIONES ................................................................................... 151
6.4.4 QUEMADURAS ................................................................................... 151
6.4.5 SHOCK ELÉCTRICO .......................................................................... 151
6.5 TÉRMINOS GENERALES ....................................................................... 152
CAPÍTULO 7 ........................................................................................................... 153
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 153
7.1 CONCLUSIONES ..................................................................................... 153
7.2 RECOMENDACIONES ............................................................................. 155
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 156
ANEXOS ................................................................................................................. 160
xvii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Clasificación de las fundiciones grises según la norma ASTM-A48 ........... 13
Tabla 1.2 Clasificación de la fundición nodular ......................................................... 18
Tabla 2.1 Características de los tipos de corriente para proceso GTAW ................... 24
Tabla 2.2 Gases inertes para proceso GTAW ........................................................... 25
Tabla 2.3 Rangos de corriente según el diámetro y tipo de electrodo ....................... 27
Tabla 2.4 Rangos de corriente según el diámetro y tipo de electrodo ....................... 29
Tabla 2.5 Propiedades mecánicas de las varillas ...................................................... 35
Tabla 2.6 Composición química de las varillas .......................................................... 35
Tabla 4.1 Dimensiones del material base ................................................................. 64
Tabla 4.2 Resultado de análisis químico ................................................................... 66
Tabla 4.3 Características mecánicas del material base ............................................ 67
Tabla 4.4 Dimensiones iniciales del material base .................................................... 69
Tabla 4.5 Clasificación de líquidos penetrantes ........................................................ 92
Tabla 5.1 Requerimientos de tensión ..................................................................... 123
Tabla 5.2 Resultados del barrido de dureza en el metal base ................................. 135
Tabla 5.3 Resultados del barrido de dureza en el metal de aporte .......................... 136
Tabla 5.4 Resultados del barrido de dureza en la zona de fusión ........................... 136
Tabla 5.5 Resultados del barrido de dureza en la ZAC ........................................... 137
Tabla 5.6 Comparación del tipo de grafito ............................................................... 138
Tabla 5.7 Comparación del tamaño de grafito ......................................................... 138
Tabla 5.8 Comparación del tipo de matriz en el material base ................................ 140
Tabla 5.9 Comparación del tipo de matriz en la zona de fusión .............................. 140
xviii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Diagrama metaestable hierro - carburo de hierro (Fe3C) ........................... 4
Figura 1.2 Micro constituyentes en el diagrama metaestable hierro - carburo de
hierro (Fe3C) ............................................................................................................... 5
Figura 1.3 Esquema de hierro fundido blanco ............................................................ 8
Figura 1.4 Esquema de hierro fundido maleable ........................................................ 9
Figura 1.5 Cambios en microestructura en una matriz ferritica ................................. 10
Figura 1.6 Microestructura de la fundición maleable ferrítica .................................... 11
Figura 1.7 Esquema de hojuelas de grafito en fundición gris ................................... 12
Figura 1.8 Microestructura de la fundición gris (ferrita y perlita) ............................... 12
Figura 1.9 Nódulos de grafito en un hierro nodular ................................................... 14
Figura 1.10 Diagrama de tratamiento de una fundición nodular ............................... 15
Figura 1.11 Microestructura de la fundición nodular ferrítica-perlítica ....................... 17
Figura 1.12 Estructura de la fundición de grafito compacto ...................................... 19
Figura 2.1 Proceso GTAW ........................................................................................ 21
Figura 2.2 Polaridad inversa ..................................................................................... 22
Figura 2.3 Polaridad directa ..................................................................................... 23
Figura 2.4 Influencia del afilado del electrodo en la soldadura ................................. 30
Figura 2.5 Partes de una antorcha para soldadura de proceso GTAW ..................... 32
Figura 2.6 Esquema del circuito de soldadura GTAW con pistola refrigerada por aire
.................................................................................................................................. 33
Figura 2.7 Esquema de un circuito de soldadura GTAW con pistola refrigerada por
agua .......................................................................................................................... 33
Figura 2.8 Distancia entre electrodo y pieza ............................................................. 36
Figura 2.9 Ángulo de inclinación respecto a la vertical entre 0° y 15° ...................... 36
Figura 2.10 Ángulo de inclinación respecto a la vertical 30° .................................... 36
Figura 2.11 Posiciones de soldadura para uniones de filete ..................................... 37
Figura 2.12 Posiciones de soldadura para uniones de bisel ..................................... 37
Figura 2.13 Posiciones de soldadura para uniones de tuberías ............................... 38
Figura 2.14 Tipos de bisel para juntas a tope ........................................................... 38
xix
Figura 3.1 Ensayo de desgarre ................................................................................ 47
Figura 3.2 Ensayo Houldcroft ................................................................................... 48
Figura 3.3 Ensayo Varestraint .................................................................................. 49
Figura 3.4 Ensayo Tekken ........................................................................................ 49
Figura 3.5 Ensayo Tekken ........................................................................................ 50
Figura 3.6 Tipos de juntas ........................................................................................ 56
Figura 3.7 Estructuras en las zonas de la soldadura de hierro fundido nodular ....... 58
Figura 3.8 Defecto de combadura en piezas soldadas ............................................. 60
Figura 3.9 Defecto de distorsión en piezas soldadas ............................................... 60
Figura 3.10 Defecto de esfuerzos residuales en piezas soldadas ............................ 60
Figura 3.11 Defecto de arco desviado ...................................................................... 61
Figura 3.12 Mal aspecto del cordón de soldadura .................................................... 61
Figura 4.1 Dimensiones del bloque para ensayo de soldabilidad ............................. 64
Figura 4.2 Dimensiones de la placa para ensayo de soldabilidad ............................ 65
Figura 4.3 Defectos de fabricación en la placa ......................................................... 67
Figura 4.4 Defectos de fabricación en el bloque ....................................................... 68
Figura 4.5 Electrodo con y sin revestimiento……. .................................................... 69
Figura 4.6 Desbaste de probetas en la limadora ...................................................... 70
Figura 4.7 Refrentado de las caras opuestas de los bloques ................................... 71
Figura 4.8 Taladrado de probetas ............................................................................. 72
Figura 4.9 Rectificado de bloques de fundición nodular ........................................... 72
Figura 4.10 Rectificado de placas de fundición nodular ............................................ 73
Figura 4.11 Termómetro Fluke 54 II .......................................................................... 75
Figura 4.12 Pirómetro Fluke 62 Mini ......................................................................... 75
Figura 4.13 Precalentamiento a 121 °C .................................................................... 76
Figura 4.14 Precalentamiento a 327 °C .................................................................... 81
Figura 4.15 Diagrama de Heinbauer ........................................................................ 83
Figura 4.16 Relación entre carbono equivalente y temperatura sin grietas............... 85
Figura 4.17 Dimensiones de la junta de soldadura ................................................... 86
Figura 4.18 Junta de soldadura ................................................................................ 86
xx
Figura 4.19 Cupón de soldadura .............................................................................. 87
Figura 4.20 Proceso de soldadura en las probetas .................................................. 88
Figura 4.21 Colocación de respaldos entre las placas .............................................. 89
Figura 4.22 Colocación de platinas .......................................................................... 89
Figura 4.23 Realización del cordón de soldadura entre placas ................................. 90
Figura 4.24 Enfriamiento post-soldadura de las placas ............................................ 91
Figura 4.25 Fundamento de acción de líquido penetrante ........................................ 92
Figura 4.26 Proceso de aplicación A1 y B1 .............................................................. 93
Figura 4.27 Proceso de aplicación A2 y B2 .............................................................. 93
Figura 4.28 Proceso de aplicación A3 y B3 .............................................................. 94
Figura 4.29 Líquido penetrante aplicable al proceso. ............................................... 95
Figura 4.30 Selección de las probetas ensayadas ................................................... 96
Figura 4.31 Limpieza de cada probeta ..................................................................... 96
Figura 4.32 Aplicación del líquido penetrante en las probetas .................................. 97
Figura 4.33 Limpieza del exceso de penetrante de cada probeta ............................. 97
Figura 4.34 Aplicación del revelador sobre cada probeta ......................................... 98
Figura 4.35 Maquina universal de ensayos TINIUS OLSEN ..................................... 99
Figura 4.36 Requerimientos para el ensayo de tracción ......................................... 100
Figura 4.37 Corte y limado del espécimen ............................................................. 101
Figura 4.38 Marca de calibre en la probeta de tracción .......................................... 101
Figura 4.39 Defectos en la probeta T1. ................................................................... 102
Figura 4.40 Defectos en la probeta T2. ................................................................... 103
Figura 4.41 Realización del ensayo de tracción para la probeta T1 y T2 ................. 103
Figura 4.42 Preparación de la probeta DR .............................................................. 104
Figura 4.43 Probeta de doblado de cara (DC) y probeta de doblado de raíz (DR) ... 105
Figura 4.44 Realización del ensayo de doblado en la probeta DC y DR. ................. 105
Figura 4.45 Recubrimiento con resina de las probetas ........................................... 106
Figura 4.46 Desbaste grueso de las probetas M1 y M2 ........................................... 107
Figura 4.47 Desbaste fino de las probetas M1 y M2 ................................................ 107
Figura 4.48 Pulido fino de la probeta M2 ................................................................. 108
Figura 4.49 Inmersión de la probeta M1 y M2 en el reactivo .................................... 109
xxi
Figura 4.50 Visualización de la zona afectada por el calor en la probeta M1 .......... 109
Figura 4.51 Proceso de macrografía con el microscopio estereoscópico. .............. 110
Figura 4.52 Durómetro HR-150 A ........................................................................... 110
Figura 4.53 Barrido de dureza para la probeta M1 .................................................. 111
Figura 4.54 Microscopio metalográfico invertido ..................................................... 112
Figura 5.1 Resultados de ensayo de soldabilidad a Tamb ........................................ 113
Figura 5.2 Resultados de ensayo de soldabilidad a 121°C ..................................... 114
Figura 5.3 Resultados de ensayo de soldabilidad a 260°C ..................................... 115
Figura 5.4 Resultados de ensayo de soldabilidad a 400°C ..................................... 115
Figura 5.5 Resultados de ensayo de soldabilidad a 540°C ..................................... 116
Figura 5.6 Resultados de ensayo de soldabilidad a 288°C ..................................... 117
Figura 5.7 Resultados de ensayo de soldabilidad a 316°C ..................................... 117
Figura 5.8 Ampliación del defecto .......................................................................... 118
Figura 5.9 Resultados de ensayo de soldabilidad a 343°C ..................................... 118
Figura 5.10 Resultados de ensayo de soldabilidad a 371°C ................................... 119
Figura 5.11 Resultados de ensayo de soldabilidad a 322°C ................................... 120
Figura 5.12 Resultados de ensayo de soldabilidad a 327°C ................................... 120
Figura 5.13 Resultados de ensayo de soldabilidad a 323°C ................................... 121
Figura 5.14 Resultados de ensayo de soldabilidad a 338°C ................................... 121
Figura 5.15 Resultados del cordón de soldadura en las placas .............................. 122
Figura 5.16 Ampliación de los defectos del cordón de soldadura en las placas...... 123
Figura 5.17 Rotura de probeta T1 ........................................................................... 124
Figura 5.18 Medidas en la rotura de la probeta T1 .................................................. 125
Figura 5.19 Fractura de la probeta T1 ..................................................................... 125
Figura 5.20 Zona 1, parte derecha del cordón, parte inferior afectada en la raíz .... 126
Figura 5.21 Rotura de la probeta T2 ....................................................................... 126
Figura 5.22 Rotura de la probeta T2 ....................................................................... 127
Figura 5.23 Fractura de la probeta T2 ..................................................................... 127
Figura 5.24 Superficies de rotura de la probeta T2 ................................................. 128
Figura 5.25 Inicio de fisura en la probeta ................................................................ 128
xxii
Figura 5.26 Ángulo de doblado de probeta Dc ....................................................... 129
Figura 5.27 Fisura propagada a lo largo de la zona de fusión en la probeta Dc ...... 130
Figura 5.28 Ángulo de doblado de probeta DR. ...................................................... 131
Figura 5.29 Fisura en la raíz del cordón de soldadura en la probeta DR ................. 132
Figura 5.30 Zonas en la ZAC ................................................................................. 133
Figura 5.31 Pases de soldadura ............................................................................. 133
Figura 5.32 Área del cordón de soldadura .............................................................. 134
Figura 5.33 Área de la ZAC en cada región del cordón de soldadura ..................... 134
Figura 5.34 Micrografía del material base a 100x. .................................................. 138
Figura 5.35 Tipo de grafito ..................................................................................... 138
Figura 5.36 Micrografía del material base a 100x ................................................... 138
Figura 5.37 Tamaño de grafito ................................................................................ 138
Figura 5.38 Diferentes zonas del material base a 100x. .......................................... 139
Figura 5.39 Micrografía del material base a 100x. .................................................. 140
Figura 5.40 Tipo de matriz ...................................................................................... 140
Figura 5.41 Micrografía de la zona de fusión a 100x. ............................................. 140
Figura 5.42 Matriz de fundición blanca ................................................................... 140
Figura 6.1 Maquinado de material base ................................................................. 142
Figura 6.2 Cordón de soldadura en una de las caras del tocho .............................. 143
Figura 6.3 Aplicación de tinta penetrante y revelador ............................................. 143
Figura 6.4 Colocación de respaldo y platinas ......................................................... 144
Figura 6.5 Calentamiento de la placa con soplete a gas ........................................ 145
Figura 6.6 Limpieza del cordón de soldadura con moladora................................... 145
Figura 6.7 Remoción del exceso de tinta penetrante .............................................. 146
Figura 6.8 Riesgo de incendio al soldar.................................................................. 150
Figura 6.9 Uso de extractores de vapor al soldar ................................................... 151
Figura 6.10 Riesgo de shock eléctrico .................................................................... 152
xxiii
RESUMEN
El presente proyecto es desarrollado con el objetivo de evaluar la soldabilidad del
hierro fundido nodular con proceso de soldadura GTAW, éste material es usado en
rejillas y tapas de alcantarilla por la EMAAP-Q; el mantenimiento de reparación por
soldadura se considera como una de las aplicaciones principales del proceso. En el
mercado nacional la fundición nodular es usada en una gran variedad de
aplicaciones, por ejemplo, tapas y rejillas de alcantarillado, tomas de agua potable.
Debido a la composición de carbono no son materiales dúctiles, son poco soldables
pero sí son maquinables, son materiales relativamente duros, absorben las
vibraciones mecánicas y actúan como auto-lubricantes, son resistentes al choque
térmico, resistentes a la corrosión y al desgaste. Al tratarse de materiales poco
soldables es importante analizar la influencia que tiene el proceso GTAW sobre el
material base de hierro fundido nodular; con el fin de determinar la temperatura de
soldabilidad óptima de la fundición nodular conforme lo dicta el procedimiento según
la Norma ANSI/AWS D11.2 (R2006). La factibilidad del proceso se determina al
realizar los ensayos pertinentes tanto destructivos como no destructivos para
determinar si la soldabilidad aplicada a la fundición nodular es aceptable o no. El
proyecto también permite determinar los parámetros de soldadura que garanticen
una buena calidad en la junta soldada. Finalmente se especifica las consideraciones
para la elaboración del procedimiento, los cuales se tomaron en cuenta durante el
desarrollo del proyecto y los factores de seguridad a los cuales se debe regir para
evitar accidentes.
xxiv
PRESENTACIÓN
En el primer capítulo se realiza un estudio del hierro fundido, empezando por su
composición química, características principales, tipos de hierro fundido que existen
en la actualidad, haciendo énfasis en el hierro nodular, que es el objetivo de este
proyecto. El segundo capítulo corresponde al proceso de soldadura GTAW y los
parámetros que lo rigen, tipo de corriente, gas de protección, electrodo de aporte,
metal de aporte; se hace una breve referencia a las posiciones de soldadura, tipos de
bisel, generalidades técnicas, ventajas y desventajas del proceso. En el tercer
capítulo se realiza un estudio acerca de la soldabilidad del hierro fundido nodular
según las recomendaciones de la American Welding Society (AWS D11.2 89-2006),
se analizan los tipos de soldabilidad, los factores que influyen en la soldabilidad, se
detalla el programa de ensayos de soldabilidad y el equipamiento necesario. El
cuarto capítulo corresponde al proceso experimental realizado para determinar la
soldabilidad del hierro nodular; se realiza la selección del material base y del
electrodo, se especifica el maquinado de las probetas y el diseño de la junta, se
escogen los ensayos no destructivos y ensayos destructivos. En el quinto capítulo se
analizan los resultados obtenidos de los procesos de precalentamiento de probetas;
con los resultados de los ensayos de tracción y doblado se realiza una comparación
con respecto a las propiedades iniciales del material base, también se analiza la
microestructura y la zona afectada por el calor. El sexto capítulo corresponde a las
consideraciones generales para la elaboración del procedimiento de soldadura, se
detalla los materiales y equipos necesarios, los problemas más comunes durante el
proceso de soldadura y las precauciones generales. En el séptimo capítulo se
presentan las conclusiones y recomendaciones del presente proyecto.
1
CAPÍTULO I
1 ESTUDIO DEL HIERRO FUNDIDO1
Las fundiciones o también llamados hierros fundidos constituyen un sistema férreo
tradicional importante. Estos materiales son aleaciones de hierro-carbono-silicio en
composiciones elevadas de carbono. Al tratarse de un material frágil y con ductilidad
baja no se puede laminar o trabajar a temperatura ambiente.
La característica principal de estos materiales es que presentan reacción eutéctica
durante su solidificación y difieren principalmente en la geometría del grafito.
En comparación con el acero es un material más barato. Al combinar las propiedades
mediante la aleación requerida en el proceso controlado de fundición y con un
tratamiento térmico adecuado se convierte en un material utilizado en un amplio
campo de acción en la industria.
1.1 DEFINICIÓN2
Al igual que los aceros, los hierros fundidos son aleaciones de hierro y carbono,
tomando como referencia el diagrama de hierro-carburo de hierro, estos materiales
contienen mayor cantidad de carbono que la necesaria para producir saturación de
austenita a la temperatura eutéctica (2.1% en peso de carbono).
1 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 2. 2 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 421.
2
1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA3
Debido al inconveniente de tratarse de materiales frágiles y con el fin de mejorar sus
propiedades, el hierro fundido manufacturado tiene una composición entre 2% hasta
6,67% de carbono y entre 0,5% hasta 3% en peso de silicio para controlar la cinética
de formación de carburos, lo que permite que el sistema evolucione según el
diagrama de equilibrio estable, formándose grafito en lugar de cementita durante la
solidificación.
Debido a que el alto contenido de carbono tiende a hacer muy frágil al hierro fundido,
la mayor parte de los hierros manufacturados comercialmente están en el intervalo
de 2,5 a 4% de carbono.
También poseen manganeso hasta el 1.5%, fósforo hasta el 1.8% (que proporciona a
la aleación una colabilidad excelente) y hasta un 0.25 % de azufre. Además de estas
fundiciones ordinarias, existen fundiciones aleadas, que contienen cantidades
sensibles de otros elementos de aleación (Cu, Ni, Mo, Ti, Al) para modificar sus
propiedades físicas y mecánicas, incrementando por ejemplo la resistencia al
desgaste, a la abrasión o a la corrosión.
1.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES4
Se caracterizan por que durante su fabricación se pueden vaciar un horno cubilote
por lo que no se necesitan equipos ni hornos demasiado costosos para obtener
piezas de diferente tamaño y complejidad, sin embargo no pueden ser sometidas a
deformación plástica ya que no son materiales dúctiles ni maleables, son poco
soldables pero sí son maquinables, relativamente duras, absorben las vibraciones
mecánicas y actúan como auto-lubricantes, son resistentes al choque térmico,
resistentes a la corrosión y al desgaste.
3 Shakelford, J. (2005). Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, 6ta. Edición. México: Prentice Hall. 400. 4 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 2.
3
Resultan excelentes para moldeo por sus temperaturas de fusión y viscosidad de la
fase líquida relativamente baja, debido a que no forman capas superficiales
indeseadas durante la colada, y por experimentar una contracción con formas
complejas, si bien las propiedades mecánicas serán inferiores a las de las aleaciones
de forja. La resistencia de las fundiciones es variable y depende del tipo de fundición.
1.4 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO-CARBURO DE HIERRO5
También llamado Diagrama Hierro-Carbono técnicamente representa condiciones
metaestables, es decir que puede considerarse como un indicador de cambios en
equilibrio bajo condiciones requeridas de calentamiento y enfriamiento relativamente
lentos.
El diagrama Hierro – Carbono se muestra en la Figura 1.1 en la cual se observa tres
líneas horizontales que muestran reacciones isotérmicas. El hierro puro está
presente en tres estados alotrópicos a medida que aumenta la temperatura.
Desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de 911°C, que es la
temperatura crítica, el hierro ordinario cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo
centrado BCC y recibe el nombre de ferrita o también llamado hierro α (alfa).
Entre la temperatura de 911°C y la temperatura de 1400°C el hierro cristaliza en el
sistema cúbico de caras centradas FCC y recibe el nombre de austenita o también
llamado hierro γ (gamma).
Entre la temperatura de 1400°C y la temperatura de 1538°C el hierro cristaliza de
nuevo en el sistema cúbico de cuerpo centrado BCC y recibe el nombre de hierro δ
(delta), que consiste en el mismo hierro alfa con mayor parámetro de red por efecto
de la temperatura. Superior a la temperatura de 1538°C el hierro se encuentra en
estado líquido.
5 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 234.
4
Figura 1.1 Diagrama metaestable hierro - carburo de hierro (Fe3C)6
1.5 MICROCONSTITUYENTES DEL HIERRO FUNDIDO7
Al añadir carbono al hierro aumenta su grado de macicez y sus átomos podrían
situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina. Las fundiciones de hierro
pueden presentar iguales constituyentes de los aceros, más el eutéctico: ledeburita,
compuesto de austenita y cementita. El eutéctico ternario de cementita, ferrita y
fosfuro de hierro (esteadita). Además el carbono se puede presentar en forma de
láminas, nódulos o esferas de grafito, su microestructura se basa en el diagrama
hierro carbono estable.
6 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores. 365. 7 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 6.
5
Figura 1.2 Micro constituyentes en el diagrama metaestable hierro - carburo de hierro (Fe3C)8
1.5.1. FERRITA9
Es una solución sólida intersticial de carbono en el hierro alfa. La solubilidad máxima
del carbono en la ferrita es 0,008% de carbono a 20 °C y 0,03% de carbono a
723°C. Los átomos de carbono se disponen en los intersticios de la red cristalina de
hierro. La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono y tiene una dureza
de 80 – 100 HB, se trata de un constituyente monofásico.
Es un material dúctil y maleable, lo que permite la forjabilidad de las aleaciones con
bajo contenido en carbono. Además es ferromagnético hasta los 770°C. Superior a
esta temperatura pierde la propiedad magnética y se denomina como temperatura de
Curie.
8 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores. 365. 9 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 237.
6
1.5.2 AUSTENITA10
Es una solución sólida intersticial de la red de Fe ϒ. La solubilidad máxima de
carbono en la austenita es de 2,14% de carbono a una temperatura de 1147°C y
0,8% de carbono a una temperatura de 723°C. Dada su mayor compacidad, la
austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética. Tiene una dureza de
180 a 200 HB.
1.5.3 CEMENTITA10
Conocida también como carburo de hierro, es un compuesto químico intersticial de
Fe en carbono. Tiene red cristalina rómbica y es bastante frágil. Tiene una dureza de
650-800 HB y una temperatura de fusión de 1600°C. La cementita no es estable ya
que debido al grafito mediante una rápida transformación disminuye la resistencia.
1.5.4 GRAFITO10
Es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono (carbono
libre) se trata de una material blando por lo que posee baja resistencia y es auto
lubricante.
1.5.5 PERLITA10
Es una mezcla mecánica eutectoide similar a la eutéctica, pero está formada de solo
una fase sólida de ferrita y cementita contenida a 0,8% de carbono.
1.5.6 LEDEBURITA10
Es una mezcla mecánica eutéctica bifásica de austenita y cementita presente a
temperaturas superiores de 723°C. Se forma al enfriar la fundición líquida de 4.3% de
carbono desde 1147°C. Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita de
2% de carbono. En el enfriamiento por debajo de la temperatura de 723°C la
austenita se transforma en perlita y su estructura pasa de ledeburita a cementita y
perlita. En las fundiciones se puede conocer las zonas donde existió ledeburita por el
aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita. Este
constituyente tiene una dureza de 600-700 HB y es un material muy frágil.
10 Pantoja, F. (2015). Apuntes de Tratamientos Térmicos.
7
1.5.7 ESTEADITA11
Es un constituyente de naturaleza eutéctica duro, se trata de un constituyente frágil
que tiene dureza de 300 a 350 Vickers y punto de fusión bajo de 960°C. Éste
constituyente aparece en las fundiciones de alto contenido en fósforo superior al
0.15%.
1.6 TIPOS DE HIERRO FUNDIDO
El hierro fundido se lo clasifica a nivel metalográfico, de esta forma se puede
evidenciar las diferentes estructuras formadas de acuerdo a las siguientes variables
que se deben considerar: el contenido de carbono, el contenido de aleación y de
impurezas, la velocidad de enfriamiento durante o después del congelamiento y el
tratamiento térmico si es el caso.
En los hierros fundidos, el carbono puede encontrarse en forma combinada de
carburo de hierro en cementita, o también en forma libre o no combinada en forma de
grafito. La forma y distribución en la estructura, de las partículas de carbono sin
combinar, son las que influyen en mayor parte en las propiedades físicas del hierro
fundido.
La estructura de la matriz y propiedades contenidas en los diferentes tipos de hierro
fundido están determinadas por la forma en que la austenita se transforma durante la
reacción eutectoide producida.
1.6.1 HIERROS FUNDIDOS BLANCOS
Son aleaciones hipoeutécticas. Se producen utilizando únicamente aleaciones de
hierro-carbono. En este tipo de hierro fundido, todo el carbono se encuentra
combinado con una microestructura formada de perlita y cementita o carburo de
hierro (Fe3C) que comprende una fase metaestable. Éste es un compuesto intersticial
duro y frágil.
11 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 7.
8
Dado que el hierro fundido blanco tiene cantidades masivas de cementita, como una
red interdendrítica continua, hace que hierro fundido blanco sea duro y resistente al
desgaste; pero demasiado frágil y difícil de maquinar.
Figura 1.3 Esquema de hierro fundido blanco12
Debido a las características descritas, los hierros fundidos completamente blancos,
no poseen muchas aplicaciones en ingeniería, salvo en casos en los que se requiere
elementos resistentes al desgaste y que no requieren ductilidad.
Para ampliar la variedad de uso, a los hierros blancos se agregan elementos como el
cromo, el níquel y el molibdeno, de manera que se formen carburos de aleación y
martensita en un tratamiento térmico posterior.
1.6.2. HIERROS FUNDIDOS MALEABLES
Este material se obtiene mediante tratamiento térmico del hierro fundido blanco como
material de inicio. El requerimiento para producir hierro fundido maleable es
descomponer la cementita en hierro y carbono, es decir, deja de considerarse la
cementita como una fase estable, sin embargo bajo condiciones de equilibrio, la
cementita suele comportarse de acuerdo a su forma original.
12 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores. 344
9
La descomposición de Fe3C se logra por alta temperatura obtenida en el horno,
impurezas sólidas no metálicas, mayores porcentajes de contenido de carbono y
elementos que ayuden a la descomposición.
Ésta maleabilización permite que todo o casi todo el carbono se encuentre sin
combinar en forma de partículas redondas irregulares, que permiten que se obtenga
una buena combinación de resistencia y ductilidad, conocidas también como
“nódulos de carbono revenido” (grafito) y ferrita.
Figura 1.4 Esquema de hierro fundido maleable13
La producción de fundición maleable requiere de varios pasos. Los nódulos de grafito
se nuclean al calentarse lentamente la fundición blanca.
En la primera etapa de grafitización (PEG), la cementita se descompone en austenita
estable y en fases grafíticas (el carbono contenido en la cementita se difunde a los
núcleos de grafito).
13 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores. 345
10
1.6.2.1. Fundición maleable ferrítica o estándar
La pieza fundida se enfría lentamente a través del rango de temperatura eutectoide,
para obtener una segunda etapa de grafitización (SEG).
Como característica principal, la fundición ferrítica maleable presenta buena
tenacidad, debido a que su equivalente bajo de carbono, reduce la temperatura de
transición por debajo de la temperatura ambiente.
Figura 1.5 Cambios en microestructura como función del ciclo de maleabilización que origina carbono revenido en una matriz ferritica14
1.6.2.2. Fundición maleable perlítica
Este material es obtenido al enfriar la austenita utilizando como medio el aire, o
aceite, para formar perlita o martensita. Posterior, la fundición es revenida a una
temperatura inferior al eutectoide, lo que provoca un revenido de la martensita o
esferoidización de la perlita. Al someter el material a una temperatura de revenido
superior, la propiedad de resistencia disminuye, incrementándose la tenacidad y
ductilidad. La matriz de este material es frágil y dura.
14 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 421.
11
La cantidad de perlita que se forma, depende de las condiciones de temperatura a la
que se inicia el temple y la rapidez de enfriamiento. Si estas condiciones son altas, el
resultado es mayor cantidad de carbono retenido o perlita. Además, si el temple en
aire se produce a una temperatura que rodea el rango eutectoide, la matriz será
completamente perlítica.
Figura 1.6 Microestructura de la fundición maleable ferrítica15
1.6.3. HIERROS FUNDIDOS GRISES.
En este tipo de fundiciones, toda o la mayor parte de carbono se encuentra en
estado libre, sin combinaciones y en forma de escamas de grafito. Constituye una de
las aleaciones de hierro más utilizadas. El proceso de grafitización es ayudado
mediante el control en la composición de aleación y la rapidez de enfriamiento que
favorecen la tendencia de la cementita para separarse tanto en grafito, austenita y
ferrita.
La mayor cantidad de este tipo de fundiciones son aleaciones hipoeutécticas que
tienen entre 2,5% y 4% de C. El grafito en este tipo de material aparece como
hojuelas o placas de forma alargada y curva irregular.
15 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 8.
12
Figura 1.7 Esquema de hojuelas de grafito en fundición gris16
Figura 1.8 Microestructura de la fundición gris (ferrita y perlita)17
El hierro gris tiene aplicaciones como: bases, pedestales de máquinas, herramientas,
bastidores para maquinaria pesada y bloques de cilindros como componentes para
motores, discos de freno, herramientas agrícolas.
16 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 427. 17 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 2.
13
Tabla 1.1 Clasificación de las fundiciones grises según la norma ASTM-A4818
Clase Resistencia a la tracción [psi] Dureza Brinell Estructura
20 24000 130-180 F, P
30 34000 170-210 F, P, G
40 44000 210-260 P, G
50 54000 240-280 P, G
60 64000 260-300 B, G
F: ferrita; P: perlita; G: grafito; B: bainita
1.6.4. HIERROS FUNDIDOS NODULARES19
El hierro fundido nodular es conocido también como hierro dúctil, hierro de grafito
esferoidal o simplemente como hierro esferulítico, debido a que las partículas de
grafito contenido en su estructura tienen forma de nódulos o esferoides generados
durante su solidificación.
La estructura de la matriz y las propiedades de cada hierro fundido se definen por la
forma en la que la austenita se transforma durante la reacción eutectoide. Además, la
formación de cada tipo de hierro fundido se controla añadiendo modificadores para
promover el crecimiento eutéctico necesario.
El hierro fundido nodular se produce tratando con magnesio el hierro fundido líquido,
que tiene alto contenido de carbono, esto provoca el crecimiento de grafito esferoidal
durante la solidificación.
18 ASTM A48, Standard Specification for Gray Iron Castings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012. 19 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores. 354.
14
Figura 1.9 Nódulos de grafito en un hierro nodular20
Para la producción de este tipo de hierro se debe seguir el siguiente procedimiento21:
1. Desulfurización.- Esto se realiza ya que el efecto del azufre es provocar el
crecimiento de grafito en forma de hojuelas. Para obtener hierros con bajo
contenido de azufre se suele fundir materiales con baja carga en azufre o
utilizar desulfurizantes, como el carburo de calcio.
2. Nodulación.- Se agrega magnesio alrededor de los 1500 °C, para eliminar
restos de azufre y oxígeno, produciendo un total de 0.03% Mg. Dado que el
magnesio se vaporiza a menor temperatura (1150 °C) se suele usar
magnesio diluido con ferro-silicio para permitir la recuperación alta de Mg.
La atenuación o evaporación gradual del magnesio debe ser controlada con
el tiempo, ya que si no se vacía el hierro en los minutos siguientes, el metal
se transforma en fundición gris.
3. Inoculación.- El magnesio es un estabilizador de carburos, éste provoca que
durante la solidificación se produzca fundición blanca. Por lo que en este
proceso se debe inocular al hierro con aleaciones de FeSi.
20 Callister, W. (2007). Materials Science and Engineering. 7ma Edición. USA: John Wiley & Sons. 390. 21 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores.
15
Figura 1.10 Diagrama de tratamiento de una fundición nodular22
Este tipo de hierro difiere de la fundición maleable, en que se obtiene en el proceso
de la solidificación y no requiere de un tratamiento térmico. Durante el proceso de
solidificación, las esferoides interrumpen la continuidad de la matriz, mucho menos
que las hojuelas de grafito, dando como resultado mayor ductilidad y resistencia
mecánica que la fundición maleable. Así también, posee mayor resistencia mecánica,
ductilidad y tenacidad, en comparación con el hierro gris; en cuanto a la cantidad
total de carbono contenida, es la misma que la de la fundición gris. Las partículas
esferoidales de grafito se forman debido a la presencia de elementos de aleación. El
elemento formador de nódulos es generalmente el magnesio o cerio. Sin embargo
debido al alto contenido de silicio en la fundición nodular, la tenacidad es inferior.
La cantidad de ferrita contenida en la matriz de la pieza sin aplicar un tratamiento
térmico, depende de la composición y la rapidez de enfriamiento.23
De acuerdo a la composición química, las fundiciones nodulares son similares a la
fundición gris, se diferencian en las adiciones de magnesio y cerio para formar la
sedimentación del carbono en forma nodular y dependiendo de la estructura
cristalina existen los siguientes tipos.
22 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores. 23 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 5.
16
1.6.4.1. Hierro nodular ferrítico
Los hierros nodulares con una matriz de 10% de perlita como máximo, en donde las
esferas de grafito están incrustadas en una matriz de ferrita (estructura básicamente
compuesta por hierro puro); su estructura proporcionan las siguientes propiedades:
- Máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad
- Alta resistencia al impacto
- Moderada conductividad térmica
- Alta permeabilidad magnética
- Buena resistencia a la corrosión (en algunas ocasiones)
1.6.4.2. Hierro nodular perlítico
Se producen por fundido o mediante un proceso térmico de normalización, desde
una temperatura de 1600 hasta 1650 °F. Se trata de los hierros nodulares con una
matriz superior a 10% de perlita, (las esferas de grafito se encuentran dentro de una
matriz de perlita). La perlita es un agregado fino de ferrita y cementita o carburo de
hierro Fe3C. Su estructura proporcionan las siguientes propiedades:
- Más fuertes, pero menos dúctiles que los anteriores
- Relativamente duro
- Alta resistencia
- Buena resistencia al desgaste
- Moderada resistencia al impacto
- Poca conductividad térmica
- Baja permeabilidad magnética
- Buena maquinabilidad
1.6.4.3. Hierro nodular perlítico-ferrítico
En esta aleación, las esferas de grafito están mezcladas en una matriz de ferrita y
perlita. Este tipo es el más común de las aleaciones de Hierro Nodular y sus
propiedades se encuentran entre las propiedades de una estructura de Hierro
Nodular Ferrítico y Hierro Nodular Perlítico, además presentan:
17
- Buena maquinabilidad
- Menor costo de fabricación de las aleaciones de Hierro Nodular.
Figura 1.11 Microestructura de la fundición nodular ferrítica-perlítica24
1.6.4.4. Hierro nodular martensítico
Es una aleación dura y frágil, por lo tanto, raramente utilizada. Sin embargo, después
de un tratamiento térmico de templado (Martensita Templada), la aleación tiene una
alta resistencia mecánica y a la corrosión, además de una alta dureza la cual puede
tener un rango de 250 HB (Dureza Brinell) a 300 HB.
1.6.4.5. Hierro nodular austenítico25
Son ampliamente utilizados por su buena resistencia mecánica, así como por su
resistencia a la corrosión y a la oxidación; poseen además propiedades magnéticas y
una alta estabilidad de la resistencia mecánica y dimensional a elevadas
temperaturas.
Los hierros austeníticos dúctiles, son hierros nodulares altamente aleados, éstos
retienen su estructura austenítica hasta los -75°F. Entre sus propiedades principales
constan alta resistencia a la corrosión y buena fluencia a elevadas temperaturas.
24 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 6. 25 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 446.
18
· Hierro nodular atruchado26
La fundición atruchada posee una matriz de fundición blanca parcialmente
combinada con fundición gris. El carbono en este tipo de hierro fundido, se encuentra
libre y combinado, por lo que es difícilmente maquinable en sus aplicaciones.
· Hierro nodular templado
Pertenecen a una clase de hierro fundido nodular en el cual, la matriz martensítica,
puede obtenerse realizando un tratamiento térmico de templado en aceite o en agua,
desde una temperatura de 1600 a 1700 °F. Esta clasificación generalmente es
revenida posterior al proceso de temple, para lograr la resistencia y dureza deseada.
Tabla 1.2 Clasificación de la fundición nodular teniendo en cuenta sus características mecánicas de acuerdo con la norma ASTM A-53627
Clase Resistencia
[psix1000]
Límite de
fluencia
Dureza Brinell
[HB]
Alargamiento
(%)
60-40-18 42000 28000 149-187 18
65-45-12 45000 32000 170-207 12
80-55-06 56000 38000 187-255 6
100-70-03 70000 47000 217-267 3
120-70-02 84000 63000 240-300 2
El hierro nodular 60-40-18 es un grado ferrítico, esta clase no debe contener más de
5% de perlita.
El hierro nodular 65-45-12 es un grado que parcialmente contiene arriba de 60% de
ferrita.
26 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 5. 27 ASTM A536-84(2014), Standard Specification for Ductile Iron Castings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014.
19
El hierro nodular 80-55-06, es el grado perlítico, usualmente contiene
aproximadamente 70% de perlita, con algo de ferrita.
El hierro nodular 100-70-03 es el grado 95% perlítico y puede ser producido con
contenidos de manganeso o cobre o por proceso térmico de normalizado.28
1.6.5. HIERROS DE GRAFITO COMPACTO29
En este tipo de fundición, el grafito presenta una forma intermedia entre hojuelas y
esferoidal, que se le denomina grafito vermicular. Además presenta barras
redondeadas que están interconectadas con el núcleo de la celda eutéctica. El hierro
de grafito compacto se forma también durante la atenuación del hierro nodular.
La forma del grafito permite obtener materiales con resistencias mecánicas y
ductilidades superiores a las de la fundición gris, brindando buenas propiedades de
conductividad térmica y absorción de la vibración.
El tratamiento para la obtención de la fundición de grafito compacto es similar a la del
hierro nodular, pero durante el proceso de nodulación se introduce bajo contenido,
aproximadamente 0,015% de magnesio.
Figura 1.12 Estructura de la fundición de grafito compacto, con una matriz de ferrita (blanca) y de perlita (gris) x25029
28 STEELWORKER. (2009). Hierro Nodular: Recuperado el 02 de julio de 2016 de http://hierronodular.blogspot.mx/ 29 Askeland, D. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 4ta Edición. México: Thomson Editores.
20
1.6.6. HIERROS FUNDIDOS ALEADOS30
Son aquellos que contienen un elemento o elementos específicamente añadidos
para la resistencia a la corrosión, el desgaste o el calor, así como, modificar y
mejorar las propiedades mecánicas del material fabricado. Los elementos aleantes
más comunes son el cromo, cobre, molibdeno, níquel y el vanadio.
El cromo forma carburos de hierro-cromo más estables que el carburo de hierro. Este
componente incrementa la resistencia, la dureza, la profundidad de la capa de hierro
blanco, la resistencia al desgaste y resistencia al calor. Por el contrario disminuye la
maquinabilidad del material.
Las adiciones de cromo de menos de 1% dan como resultado una mejora de las
propiedades mecánicas en general. Para obtener mayor resistencia a la corrosión o
al calor, se suele combinar con otros elementos de aleación.
El contenido de cobre para la fabricación de máquinas en ingeniería va en un rango
de 0,25 a 2,5 %. Este elemento funciona como grafitizador (hace resistente la
matriz), pero es menos eficaz que el silicio.
El molibdeno se añade como elemento aleante en cantidades de 0,25 s 1,25%. Este
elemento mejora las propiedades mecánicas, entre ellas, la resistencia a la fatiga,
resistencia tensil, resistencia transversa, resistencia al calor y la dureza; además es
un leve estabilizador de carburos.
El vanadio es un elemento formador de carburo potente, este elemento estabiliza la
cementita y reduce la grafitización. Se añade en un rango de 0,10 y 0,25%, mejora
las propiedades de resistencia tensil, resistencia transversa y dureza.
El níquel es un elemento grafitizador, pero menos efectivo que el silicio. Este
elemento controla la estructura retardando la transformación de austenita, estabiliza
la perlita y manteniendo el carbono en la cantidad eutectoide. Se añade en
composición de 0,5 a 6,0%.
30 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 449.
21
CAPÍTULO 2
2 PROCESO DE SOLDADURA GTAW, PARÁMETROS
2.1. DEFINICIÓN31
Es un proceso de soldadura por arco eléctrico en el cual se obtiene la unión de los
metales por calentamiento de los mismos, utiliza un electrodo de tungsteno no
consumible para crear un arco a una pieza de trabajo. La zona de protección del
electrodo y la soldadura se obtiene mediante un gas inerte, generalmente argón,
helio (o una mezcla de los dos). El metal de aporte se coloca en el arco eléctrico
logrando la fusión del mismo y la mezcla de este con el metal base. La pileta líquida
se manipula controlando la correcta fusión de las partes; el proceso puede ser usado
sin material de aporte.
Figura 2.1 Proceso GTAW31
31 Messler, R. (2004). Principles of Welding. Singapur: John Wiley & Sons.
22
2.2. PARÁMETROS
A continuación se detalla los parámetros que definen de mejor manera el proceso de
soldadura GTAW.
2.2.1. TIPO DE CORRIENTE
2.2.1.1. Corriente directa
Es aquella que no varía a través del tiempo, es decir, se mantiene constante durante
todo el proceso. Es necesario que existan dos terminales, uno positivo y otro
negativo, para que se produzca la circulación de corriente; en este caso los
terminales van conectados al electrodo o pinza y a la masa o tierra.
2.2.1.1.1. Polaridad
Es la conexión del electrodo a uno de los terminales del equipo de soldadura o polos
de la máquina.
· Polaridad inversa.- se produce cuando el electrodo es conectado
directamente al terminal positivo (+) del equipo; en este caso la corriente
eléctrica circula desde la pieza hacia el electrodo, la pieza está conectada
al terminal negativo (-), la corriente “entra” al electrodo.
Figura 2.2 Polaridad inversa32
32 Eyheralde, M. (2012). Inspección en Soldadura. Recuperado el 30 de septiembre de 2015 de http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/soldadura/08%20Proceso%20GTAW.pdf
23
· Polaridad directa
Es cuando el electrodo se conecta de forma directa al terminal negativo (-)
del equipo de soldadura, en este caso la circulación de la corriente
eléctrica es desde el electrodo hacia la pieza, la cual está conectada al
terminal positivo (+) del equipo.
Figura 2.3 Polaridad directa33
2.2.1.2. Corriente alterna
La corriente alterna varía cíclicamente, de forma constante, a lo largo del tiempo.
Una corriente alterna de 60 ciclos, significa que en 1 segundo cambia 120 veces la
polaridad, pasando alternadamente de la polaridad positiva a la negativa y viceversa.
En la corriente alterna no es necesario definir la polaridad, debido a que ésta cambia
constantemente durante todo el proceso.
La siguiente tabla detalla las características de los tipos de corriente para soldadura
por arco de tungsteno y gas.
33 Eyheralde, M. (2012). Inspección en Soldadura: Recuperado el 30 de septiembre de 2015 de http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/soldadura/08%20Proceso%20GTAW.pdf
24
Tabla 2.1 Características de los tipos de corriente para proceso GTAW34
2.2.2. GAS DE PROTECCIÓN
La principal función del gas es generar una burbuja que proteja al cordón de
soldadura, al electrodo y al metal base del aire que circula en el ambiente; también
influye en la estabilidad del arco así como en el resultado final de la soldadura.
Los gases que más se emplean para el proceso GTAW son Argón y Helio, o una
mezcla de los dos, los cuales deben poseer un alto grado de pureza (aprox. 99.99%).
· Argón
Con este gas se puede obtener una buena estabilidad del arco y ayuda a
un fácil encendido, tiene una baja conductividad térmica que permite
concentrar el calor en el centro del arco, lo cual produce una penetración
muy marcada en el centro del cordón.
34 Messler, R. (2004). Principles of Welding. Singapur: John Wiley & Sons. 53.
25
· Helio
Es muy poco utilizado, se necesita aplicar mayor tensión en el arco, lo que
genera una menor penetración y cordones anchos.
· Argón-Helio
Al utilizar esta mezcla se puede conseguir características intermedias de
los dos gases; el inconveniente es que sólo es aplicable para materiales de
cobre.
En la tabla siguiente se especifica el gas adecuado para cada tipo de material a
soldar.
Tabla 2.2 Gases inertes para proceso GTAW35
Material a soldar Tipo de Gas
Aluminio y aleaciones Argón
Latón y aleaciones Helio o Argón
Cobre y aleaciones (menor a 3
mm) Argón
Cobre y aleaciones (mayor a
3mm) Helio
Acero al carbono Argón
Acero inoxidable Argón
Hierro fundido Argón
Existen dos efectos que se producen cuando se forma la atmosfera de gas
protectora:
· Pre-flujo de gas.- es el gas de protección que sale antes de que se
establezca el arco de soldadura.
35 Eyheralde, M. (2012). Inspección en Soldadura: Recuperado el 30 de septiembre de 2015 de http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/soldadura/08%20Proceso%20GTAW.pdf
26
· Post-flujo.- es el gas de protección que sale cuando ya se ha terminado el
proceso de soldadura
Se puede regular según el tiempo en que se esté soldando:
· Dos tiempos: se pulsa y sale el gas, se crea el arco y se suelda; cuando se
deja de pulsar se corta el arco pero sigue saliendo gas.
· Cuatro tiempos: se pulsa y sale el gas, se deja de pulsar y se crea el arco,
se suelda, se vuelve a pulsar y se corta el arco; cuando se deje de soltar
se corta el gas.
2.2.3. ELECTRODO DE APORTE36
El electrodo que se usa en el proceso de soldadura GTAW tiene una gran diferencia
respecto de los demás electrodos usados en otros procesos, debido a que no se
funde con el calor que es generado por el arco eléctrico y por este motivo no aporta
material a la soldadura. Aunque se debe recordar que al seleccionar de forma
incorrecta un electrodo o usar amperajes muy altos se puede transferir partículas del
electrodo hacia el arco eléctrico.
El electrodo es altamente refractario, su punto de fusión supera los 3400 °C, son
fabricados desde 0.5 mm de diámetro hasta 6 mm y pueden ser hechos de tungsteno
puro o con aleaciones de zirconio o torio, los más usados son de 1.6 mm y de 2.4
mm; aunque de manera general el espesor de la pieza determinará el tipo de
electrodo que se debe usar.
Cuando se usa corriente continua y polaridad directa el electrodo puede soportar
hasta 100 veces su diámetro, si el proceso se lo realiza con corriente continua y
polaridad inversa el electrodo es capaz de aguantar 10 veces su diámetro, al usar
corriente alterna el electrodo soportará entre 75 – 80 veces su diámetro.
36 Mora, C. (2008). Proceso TIG. Recuperado el 20 de octubre de 2015 de http://carlosmora-smaw.blogspot.com/2008_03_01_archive.html
27
A continuación se muestra una tabla mostrando las corrientes sugeridas para usarse
según el diámetro y el tipo de electrodo.
Tabla 2.3 Rangos de corriente según el diámetro y tipo de electrodo37
Nota: estos valores se basan en el uso de argón como gas de protección. Otros
valores pueden ser empleados, dependiendo del gas de protección (valores más
bajos serían aplicables usando helio como gas), el tipo de equipo y la aplicación.
Si no se dan valores, implica que no se recomienda su uso.
2.2.3.1. Clasificación de electrodos38
La norma AWS A5.12 clasifica a los electrodos de tungsteno de la siguiente forma:
E W X X X
Donde:
E.- Electrodo
W.- Wolframio (Tungsteno)
X X X .- Composición química: P.- Tungsteno puro
37 American Filler Metals. (s/f). Tungsten Alloys. Recuperado el 01 de octubre de 2015 de
http://www.amfiller.com/assets/tungsten_alloys.pdf 38 AWS Welding Handbook. (2004). Welding Processes Part 1. (2), 121.
Tungsteno con Tungsteno con Tungsteno con
agregados de oxido agregados de oxido agregados de oxido
0.50 0.010 hasta 15 hasta 15 N.A N.A hasta 15 hasta 15
0.30 ---- hasta 15 hasta 15 N.A N.A hasta 15 hasta 15
0.50 0.020 de 2 a 20 de 2 a 20 N.A N.A de 2 a 15 de 2 a 15
1.0 0.040 de 10 a 75 de 10 a 75 N.A N.A de 15 a 55 de 15 a 70
1.5 0.060 de 60 a 150 de 60 a 150 de 10 a 20 de 10 a 20 de 45 a 90 de 60 a 125
1.6 ---- de 60 a 150 de 60 a 150 de 10 a 20 de 10 a 20 de 45 a 90 de 60 a 125
2.0 ---- de 75 a 180 de 100 a 200 de 15 a 25 de 15 a 25 de 65 a 125 de 85 a 160
2.4 0.093 (3/32) de 120 a 220 de 150 a 250 de 15 a 30 de 15 a 30 de 80 a 140 de 120 a 210
2.5 ---- de 130 a 230 de 170 a 250 de 17 a 30 de 17 a 30 de 80 a 140 de 120 a 210
3.0 ---- de 150 a 300 de 210 a 310 de 20 a 35 de 20 a 35 de 140 a 180 de 140 a 230
3.2 0.125 (1/8) de 160 a 310 de 225 a 330 de 20 a 35 de 35 a 50 de 150 a 190 de 150 a 250
4.0 0.156 (5/32) de 275 a 450 de 350 a 480 de 35 a 50 de 50 a 70 de 180 a 260 de 240 a 350
4.8 0.187 (3/16) de 380 a 600 de 480 a 650 de 50 a 70 de 50 a 70 de 240 a 350 de 330 a 450
5.0 ---- de 400 a 625 de 500 a 675 de 50 a 70 de 50 a 70 de 240 a 350 de 330 a 460
6.3 ---- de 550 a 875 de 650 a 950 de 65 a 100 de 35 a 100 de 300 a 450 de 430 a 575
6.4 0.250 (1/4) de 575 a 900 de 750 a 1000 de 70 a 125 de 70 a 125 de 325 a 450 de 450 a 600
8.0 ---- ---- ---- ---- ---- ---- de 650 a 830
10.0 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ----
Tungsteno Puro
Corriente AlternaDiametro del electrodo
mm in
Corriente Directa
Electrodo Negativo Electrodo Positivo
Tungsteno Puro Tungsteno Puro
28
Th-1.- 0.8 – 1.2 % de Torio
Th-2.- 1.7 – 2.2 % de Torio
Th-3.- 0.35 – 0.55 % de Torio
Zr.- 0.15 – 0.4 % de Zirconio
· EWP (Electrodos de Tungsteno Puro)
Estos electrodos contienen un mínimo de 99.5% de pureza, son electrodos
de bajo costo y se usan para aleaciones de Magnesio y Aluminio, es
preferible usarlo con corriente alterna ya que brinda estabilidad al arco.
· EWTh (Electrodos de Tungsteno con Torio)
La aleación del tungsteno con óxidos de torio mejora la emisión
termoiónica del tungsteno. Los electrodos EWTh-1 y EWTh-2 contienen 1%
y 2% de torio, respectivamente.
· EWZr (Electrodos de Tungsteno con Zirconio)
Este tipo de electrodos posee 0.25% de óxido de zirconio, tienen
propiedades intermedias de los electrodos anteriores. El arco es muy
estable cuando se usa con corriente alterna, tienen mejor resistencia a la
contaminación que los electrodos de tungsteno puro.
· Electrodos para Hierro Fundido39
Depósito de Níquel-Fierro especialmente diseñado para unión y reparación
de piezas de fundición con alto porcentaje de fosforo, fundición nodular. El
depósito tiene una alta resistencia, libre de grietas y porosidad. Al igual que
en todas las soldaduras en hierro, se recomienda cordones cortos (30 – 50
mm) con el fin de no calentar excesivamente la pieza .Las aplicaciones
típicas son: reparación de válvulas, tapas de bomba, tambores, etc. Se
recomienda usar preferentemente corriente continua electrodo negativo.
39 INDURA, (2010), Catálogo de Electrodos para Recubrimiento y Recuperación de Piezas, 2.
29
La tabla 2.4 indica la clasificación de los colores y sus propiedades.
Tabla 2.4 Rangos de corriente según el diámetro y tipo de electrodo40
Nota: está prohibido adicionar intencionalmente “óxidos de dopaje” para electrodos
particulares.
a valores de color RGB y muestra de color.
b N.A. = No Aplica.
40 American Filler Metals. (s/f). Tungsten Alloys. Recuperado el 01 de octubre de 2015 de http://www.amfiller.com/assets/tungsten_alloys.pdf
30
Los electrodos no tienen forma al inicio de su vida útil y pueden tener un diámetro de
1,6; 2,4 y 3,2 mm; por ese motivo antes de ser utilizados hay que darles una forma
específica usando una máquina herramienta o fundiéndola. Existen tres tipos de
formas que puede tener el electrodo dependiendo del uso que se le vaya a dar: en
punta, media caña y bola.
El afilado del electrodo influye en la calidad de la soldadura, como se muestra en la
siguiente figura:
Figura 2.4 Influencia del afilado del electrodo en la soldadura41
2.2.4. VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO
La velocidad de desplazamiento afecta a la penetración y al ancho del cordón de la
soldadura, pero los efectos son más notorios en el ancho; también afecta a los
costos del proceso. Dependiendo de la aplicación, la velocidad de desplazamiento es
definida como un valor constante, haciendo que las demás variables se ajusten para
obtener una soldadura de calidad y uniforme.
2.2.5. VELOCIDAD DEL ALAMBRE
Cuando la soldadura es manual, la manera en que el metal de aporte es añadido al
proceso de soldadura influye en el número de pasadas que se requieren y en la
apariencia final de la soldadura.
41 INGEMECÁNICA. (s/f). Técnica y Fundamentos de la Soldadura TIG. Recuperado el 01 de octubre de 2015 de http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn52.html,
31
En el caso de que el proceso sea automático, la velocidad de alimentación del
alambre permite determinar la cantidad de material de aporte que se deposita por
unidad de longitud de la soldadura. Cuando se reduce la velocidad de alimentación,
la penetración aumenta. Mantener una velocidad de alimentación lenta puede
ocasionar socavación en el cordón de la soldadura y cordones incompletos en la
junta; el efecto también puede ser inverso, es decir, al aumentar la velocidad de
alimentación disminuye la penetración de la soldadura y se produce un arco más
convexo.
2.2.6. ANTORCHAS DE SOLDADURA
Las antorchas que se usan en la soldadura por arco de tungsteno controlan al
electrodo que es el encargado de conducir la corriente al arco y permiten el
transporte del gas de protección a la zona del arco.
La mayoría de las antorchas que se usan para aplicaciones manuales tienen un
ángulo de cabezal (ángulo comprendido entre el electrodo y la manija) de 120°. Las
antorchas también pueden tener cabezales con ángulo regulable. Las antorchas para
procesos manuales por lo general tienen llaves y válvulas en las manijas para poder
controlar el flujo de gas.
Las antorchas para procesos automáticos vienen ensambladas en un dispositivo que
ayuda a centrar la antorcha sobre la soldadura, mueve la antorcha sobre la junta y
mantiene la distancia de trabajo. La figura 2.5 detalla las principales partes de una
antorcha.
32
Figura 2.5 Partes de una antorcha para soldadura de proceso GTAW42
· Collar de apriete: sirven para asegurar los electrodos de diferentes
diámetros, en el soporte del electrodo, son elaborados generalmente de
aleaciones de cobre. Cuando la tapa de la antorcha es ajustada en su lugar
el electrodo es asegurado. Es necesario que exista un buen contacto entre
el electrodo y el diámetro interior de la pinza para que se genere una
buena circulación de corriente y se enfríe el electrodo.
· Boquilla: permite dirigir el gas de protección hacia la zona de soldadura y
son ajustadas al cabezal de la antorcha. Internamente tienen incorporados
los difusores o inyectores que permiten aportar el gas de protección hacia
la boquilla. Las boquillas están hechos de materiales resistentes al calor
con una gran variedad de formas, diámetros y longitudes.
42 Mora, C. (2008). Proceso TIG. Recuperado el 22 de octubre de 2015 de http://carlosmora-smaw.blogspot.com/2008_03_01_archive.html
33
2.2.6.1. Tipos de antorchas
· Antorchas enfriadas a gas.- son conocidas como enfriadas por aire, éste
tipo de antorchas generan un enfriamiento debido al flujo de un gas de
protección frío que pasa a través de la antorcha; tienen un límite de
corriente de soldadura máximo de 200 amperios.
Figura 2.6 Esquema del circuito de soldadura GTAW con pistola refrigerada por aire43
· Antorchas enfriadas con agua.- este tipo de antorchas mantiene la
temperatura gracias a un flujo continuo de agua que recorren al interior de
la manija.
Figura 2.7 Esquema de un circuito de soldadura GTAW con pistola refrigerada por agua43
43 De Máquinas y Herramientas. (2014). Sistemas de Enfriamiento. Recuperado el 22 de octubre de 2015 de http://www.demaquinasyherramientas.com/soldadura/seleccionar-la-antorcha-correcta-para-un-proceso-de-soldadura
34
2.2.7. METAL DE APORTE – VARILLAS
El uso de material de aporte va a depender directamente del espesor de las piezas
que se vayan a soldar, si es de espesores pequeños la antorcha derrite directamente
el metal base y hace que se fusionen las partes. Es recomendable usar varillas que
contengan la misma composición que el material a soldar, el espesor que se desea
soldar influye directamente en el diámetro de las varillas. Las varillas para este
proceso tienen una mayor cantidad de elementos desoxidantes.
2.2.7.1. Clasificación del metal de aporte
La norma AWS clasifica a las varillas según su aplicación, a continuación se presenta
algunos grupos:
· A5.9.- varillas para soldadura de aceros inoxidables.
· A5.10.- varillas para soldadura de aluminio y sus aleaciones
· A5.14.- varillas para soldadura de níquel y sus aleaciones.
· A5.18.- varillas para soldadura de aceros al carbono de resistencia media.
· A5.28.- varillas para soldadura de aceros de baja aleación y aceros de alta
resistencia.
La forma de identificación de las varillas es la siguiente:
E R - 70 S - 6
Donde:
E.- electrodo
R.- varilla
70.- resistencia a la tensión mínima (70 000 lb/pulg2)
S.- sólido
6.- composición química del depósito
Las siguientes tablas muestran las propiedades mecánicas y la composición química
de las varillas.
35
Tabla 2.5 Propiedades mecánicas de las varillas44
Tabla 2.6 Composición química de las varillas44
2.2.8. GENERALIDADES TÉCNICAS
2.2.8.1. Distancia del electrodo
En el proceso GTAW la distancia que separa el electrodo de la pieza es muy
importante, ya que influye en el arco eléctrico; también es útil controlar la sección de
electrodo que sobresale por la tobera, las distancias máximas que se recomienda es
de 5 mm, como se puede observar en la figura 2.8.
44 GLIMGLO. (2013). Aportación para la Soldadura TIG GTAW – Varillas .Recuperado el 23 de octubre de 2015 de http://soldadura.org/soldadura-2/aportacion-para-la-soldadura-tig-varillas
36
Figura 2.8 Distancia entre electrodo y pieza45
2.2.8.2 Ángulo
Es necesario controlar la inclinación de la pinza porta-electrodos, la postura ideal es
a cuando la pinza se encuentra a 90° de la pieza o totalmente perpendicular, aunque
es admisible una inclinación entre 75° hasta 80°. Las siguientes figuras permiten
diferenciar la posición correcta y la incorrecta.
Figura 2.9 Ángulo de inclinación respecto a la vertical entre 0° y 15° 45
Figura 2.10 Ángulo de inclinación respecto a la vertical 30° 45
2.2.8.3 Caudal de gas
Para que la soldadura resulte óptima el caudal de gas debe estar entre los 6 y 12
litros/min.
45 INGEMECÁNICA. (s/f). Técnica y Fundamentos de la Soldadura TIG. Recuperado el 23 de octubre de 2015 de http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn52.html,
37
2.2.9 POSICIONES DE SOLDADURA
El proceso GTAW permite soldar la mayoría de materiales en cualquier posición, se
recomienda soldar en posición plana ya que se requiere menor habilidad por parte
del soldador. Las posiciones que se detallan a continuación están contempladas en
la norma ANSI/AWS A3.0:1994.
Figura 2.11 Posiciones de soldadura para uniones de filete46
Figura 2.12 Posiciones de soldadura para uniones de bisel46
46 ANSI/AWS A3.0.(1994). Standard Welding Terms and Definitions. 68.
38
Figura 2.13 Posiciones de soldadura para uniones de tuberías47
2.2.10 TIPOS DE BISEL
En el proceso de soldadura la preparación de los materiales base, limpieza y
biselado con ángulos de inclinación adecuados, son procedimientos requeridos para
la obtención de un producto de acuerdo a las normas que rigen la soldadura. Si el
espesor del material supera los 3 mm se recomienda hacer un bisel en los bordes
tipo en “V”. La figura 2.14 detalla algunos de los biseles más comunes usados en el
proceso de soldadura a tope.
Figura 2.14 Tipos de bisel para juntas a tope48
47 ANSI/AWS A3.0.(1994). Standard Welding Terms and Definitions. 70. 48 INDURA. (s/f). Catálogo de Electrodos, 15.
39
2.3 VENTAJAS DEL PROCESO
· El proceso permite unir la mayoría de los metales.
· El arco eléctrico que se produce es estable y concentrado.
· Se puede adaptar como un proceso automático para fabricaciones en
serie, como tubería de pequeño espesor, fijación de tubos a
intercambiadores de calor, etc.
· No produce escoria.
· La soldadura es lisa y regular.
· Dependiendo de la aplicación se puede utilizar con o sin metal de aporte.
· Se puede emplear en todo tipo de juntas y posiciones.
· La velocidad de soldadura es alta para espesores menores a 3 mm.
· La calidad de la soldadura es buena.
· Permite controlar la penetración en la pasada de raíz.
· La fuente de energía no es cara.
· No produce salpicaduras.
· La limpieza es mínima después de acabar la soldadura.
2.4 DESVENTAJAS DEL PROCESO
· La tasa de deposición es menor comparada con otros procesos de
soldadura por arco.
· Se requiere de gran habilidad del soldador cuando el proceso es manual.
· El costo del proceso es elevado para espesores mayores a 10 mm.
· En presencia de corrientes de aire, la atmósfera protectora puede dejar de
cumplir su función.
· El costo de los repuestos es relativamente alto.
40
CAPÍTULO 3
3 SOLDABILIDAD DEL HIERRO FUNDIDO NODULAR
3.1 SOLDABILIDAD49
La soldabilidad es la capacidad de los materiales, provenientes de una misma o
diferente naturaleza para ser unidos de manera permanente, mediante procesos de
soldadura, sin presentar transformaciones estructurales perjudiciales, tensiones o
deformaciones que puedan ocasionar fallas.
La soldabilidad constituye una propiedad de los materiales, es muy compleja y en
muchas ocasiones queda condicionada a variaciones metalúrgicas y de las
propiedades de los materiales que intervienen. Esto significa que un material puede
tener buena soldabilidad, cuando se puede lograr una unión soldada con
propiedades mecánicas y físico-químicas adecuadas, por cualquiera de los procesos
de soldadura y sin necesidad de utilizar técnicas auxiliares.
La American Welding Society (AWS), define la soldabilidad, como “la capacidad de
un material a ser soldado bajo las condiciones impuestas de fabricación en una
específica estructura apropiada y a desempeñarse satisfactoriamente en el servicio
previsto”50. Entonces, algunos materiales base o aleaciones pueden exhibir buena
soldabilidad bajo ciertas condiciones, pero mala soldabilidad bajo otras condiciones.
La soldabilidad depende de los procesos, parámetros de operación (especialmente,
la entrada neta de calor), procedimientos, grado de resistencia y ambiente, el factor
más importante es la composición química del material base. La composición puede
determinar una inherente soldabilidad, algunas aleaciones pueden ser básicamente
soldables, algunas son sustancialmente difíciles de soldar y otras son insoldables
entre sí, por lo cual se debe buscar un método alternativo de junta.
49 Guzmán, R. (2014). Soldabilidad de los Materiales. Recuperado el 5 de enero de 2015 de http://es.scribd.com/doc/215613920/4-Soldabilidad-de-Los-Materiales#scribd 50 Messler, R. (2004). Principles of Welding. Singapur: John Wiley & Sons. 578.
41
3.2. TIPOS DE SOLDABILIDAD
Existen tres tipos de soldabilidad, cada una posee un estudio, dependiente de las
propiedades o cambios a ser analizados.
3.2.1. SOLDABILIDAD METALÚRGICA
Es la capacidad de los materiales de no presentar transformaciones estructurales en
la unión soldada o variaciones en las propiedades físico-químicas. Abarca las
transformaciones que ocurren debido a los diferentes cambios de estado de los
materiales en el proceso de soldadura.
Los factores que afectan o influyen en la soldabilidad metalúrgica son:
1. Tipo del material base, espesor
2. Influencia de los elementos aleantes
3. Tipo de junta y procesos de soldadura
4. Velocidad de enfriamiento
5. Energía suministrada
6. Temperatura de precalentamiento
7. Secuencia de la soldadura
3.2.2. SOLDABILIDAD OPERATIVA
Responde a la operación de soldadura, en lo que respecta al estudio de las
diferentes operaciones realizadas en cuestiones tecnológicas y de ejecución de las
uniones soldadas, durante el proceso ejecutado en la soldadura.
3.2.3. SOLDABILIDAD CONSTRUCTIVA O GLOBAL51
Este tipo de soldabilidad analiza las propiedades que presentan el conjunto soldado y
su tendencia a agrietarse. Analiza sus restricciones antes, durante y después de
realizado el conjunto soldado. Intervienen las propiedades físicas del material base,
51 Guzmán, R. (2014). Soldabilidad de los Materiales. Recuperado el 19 de diciembre de 2015 de http://es.scribd.com/doc/215613920/4-Soldabilidad-de-Los-Materiales#scribd
42
como son: dilatación y contracción que provocan deformaciones y tensiones, las
cuales pueden generar agrietamientos de la unión soldada, como ocurre en el caso
del hierro fundido que por su poca plasticidad no tiene la capacidad de absorber
deformaciones, por lo que necesariamente se debe recurrir a recursos tecnológicos
de pre y post-calentamiento para evitar esta soldabilidad condicionada.
3.3. DIFICULTADES EN LA SOLDABILIDAD DE FUNDICIONES
Debido a la alta concentración de carbono y las diferentes formas que se presenta en
la estructura y que está definida por la composición, las fundiciones son los metales
más difíciles para soldar, por lo que hay consideraciones a tomar para mejorar la
soldabilidad.
3.3.1. EL METAL DE SOLDADURA
Consiste en el metal base, el cual es derretido durante la soldadura añadiendo o no
cualquier metal de aporte. Cuando el hierro fundido colado se enfría rápidamente
como es el caso de la soldadura autógena, el carbono no se esparce en grafito,
formando carburo de hierro duro pero frágil (quebradizo), el cual es difícil de
maquinar y es susceptible a fracturase.
3.3.2. ZONA DE FUSIÓN
Hay tres regiones distintas en la zona de fusión, la primera es el metal de soldadura,
que constituye la mezcla del metal base y algún metal de aporte cuando se derriten,
la segunda región es el metal base que se funde pero no se mezcla con el metal de
aporte, la tercera región constituye el metal base, parcialmente derretido.
La formación de carburos puede ser un problema en las regiones en donde no hay
una mezcla del metal base con el material de aporte.
43
3.3.3. ESFUERZOS DE SOLDADURA
Durante el proceso de soldadura, se produce expansión o contracción, lo que puede
provocar distorsiones y esfuerzos residuales o internos asociados a la soldadura en
cualquier material.
Los esfuerzos residuales o internos, se definen como el estado de esfuerzos
presentes en el volumen de un material en ausencia de cargas externas, incluida la
gravedad o un gradiente térmico que constituye una fuente de esfuerzos.
En el caso específico de procesos de soldadura, los esfuerzos residuales son
consecuencia de la interacción de los siguientes procesos:
a) Expansión impedida y contracción resultante de una distribución de
temperatura no homogénea.
b) Efectos de enfriamiento rápido (temple).
c) Transformaciones de fase.
Consecuentemente, el tipo y cantidad de esfuerzos residuales en la pila de soldadura
y zona afectada térmicamente dependen de la temperatura de transformación
determinada por el diagrama tiempo-temperatura-transformación (TTT) del material y
la velocidad de enfriamiento. Obviamente, la composición química local tiene un
papel importante.52
Pueden causar fisuras en fundiciones de hierro con baja ductilidad y en áreas de
ductilidad reducida como la zona de fusión. Los esfuerzos residuales de soldadura
pueden reducirse aplicando control apropiado de precalentamiento en el proceso de
soldadura, granallado y algún tratamiento térmico posterior al proceso.53
52 Mejía, I., Maldonado, C., Bedolla, A., García, J. (2006). Esfuerzos residuales generados en la Soldadura. México. 53 ASM International. (2002). Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel.
44
3.3.4. POROSIDAD54
Los gases emitidos durante el proceso de soldadura, pueden ocasionar porosidades
en el depósito de soldadura, los gases son producto de materiales volátiles en el
metal base o producto de reacciones químicas entre el material de aporte y la
atmósfera.
En el caso de las fundiciones de hierro, las porosidades se deben a que el grafito
absorbe y retiene lubricantes, además de otros líquidos que se impregnan en la
sección completa. Al darse el proceso de soldadura, los líquidos se desprenden en
forma gaseosa y son atrapados en el metal de soldadura como porosidades.
Ya que los problemas de porosidad son atribuidos a contaminantes en el material
base, es necesario efectuar una preparación del metal base antes del proceso de
soldadura.
3.4. SOLDABILIDAD DEL HIERRO FUNDIDO NODULAR
Con respecto a la clasificación del hierro, la fundición blanca presenta serios
problemas de soldabilidad, en cambio la fundición gris es soldable, siempre que se
empleen los métodos apropiados de unión. Esto se debe a que el ciclo de
calentamiento y enfriamiento que conlleva todo proceso de soldadura, origina
fenómenos de expansión y contracción, lo que provoca la creación de tensiones de
tracción en la pieza fundida durante la fase de contracción.
Como es conocido, las fundiciones se comportan peor a esfuerzos de tracción que a
esfuerzos de compresión, por lo que se justifica la necesidad de aplicar medidas
especiales para garantizar una buena soldabilidad.
Por otro lado, las fundiciones nodulares son cada vez más empleadas en la
actualidad, un método práctico para soldar piezas de fundición maleable es la
soldadura fuerte (brazing) empleando varillas de aleaciones de cobre. En todo caso,
para obtener mejores resultados en la soldadura de piezas de fundición nodular y
maleable, se recomienda que éstas deban ser soldadas en estado recocido.55
54 ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), Guide for Welding Iron Castings, 6. 55 INGEMECÁNICA. (s/f). Estudio y Clasificación de las Fundiciones. Recuperado el 19 de diciembre de 2015 de http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn108.html
45
3.4.1. PROPIEDADES DEL NÍQUEL Y SU AFINIDAD CON EL HIERRO56
En la soldadura de fundiciones de hierro, es una práctica usada la de unir las partes,
mediante el uso de electrodos con bajos, medios y altos contenidos de níquel, o
directamente con Ni puro. Esta práctica se viene aplicando en fundiciones grises,
nodulares y esferoidales.
La aleación Fe – Ni constituida por 50% de níquel e igual porcentaje en peso de
hierro, se encuentra en estado líquido por encima de los 1446 ºC, formando una
solución homogénea de ambos metales. Por debajo de la línea de liquidus, la
solución líquida solidifica en una solución sólida gamma, de estructura cristalina
cúbica centrada en las caras, FCC desordenada, donde los átomos de níquel ocupan
indistintamente los lugares que en algún momento podrían ser ocupados por los
átomos de hierro.
Las aleaciones Fe-Ni podrían constituir un sistema de solubilidad total en cualquier
proporción que se encuentren los componentes, si no fuera por la transformación
alotrópica del hierro a elevada temperatura, que pasa de estructura FCC a BCC,
entre los 1395 y los 1538 ºC, mientras que a temperaturas de 912 ºC, pasa de FCC a
BCC, en el eje correspondiente al hierro puro.
Los componentes de este sistema de aleaciones de tipo sustitucionales, responden
muy bien a las reglas de solubilidad total.
Además, teniendo ambos elementos un radio atómico muy similar, ya que el hierro
presenta 0,124 nm. y el níquel 0,125nm, esto da una diferencia levemente superior al
4%; si en lugar de los radios atómicos se comparan los radios iónicos de los
elementos se tiene para el Fe+2 0,077nm y para el Ni+2 0,069nm, invirtiéndose la
relación, ya que el Fe+2 es mayor en un 11%.
56 Agüera, F., Ansalid, A., Reynoso, A., Fierro, V. (2008). Análisis de Soldadura de Fundiciones “ADI”, con electrodos de Fe-Ni. Argentina.
46
Por otra parte, el níquel posee red cristalina FCC y el hierro también entre los 912ºC
y 1395 ºC, siendo la electronegatividad del Ni 1,8 algo superior al Fe, que es de 1,7
en una escala donde el más electropositivo es cero, “0” y el más electronegativo es
4,1.
Por su parte, ambos metales poseen estados de oxidación 2 y 3. Además las
densidades de ambos metales son similares, presentando el Ni 8,902 mg/m3 y el Fe
algo menos 7,874 mg/m3. Esta última semejanza hace que las escalas de
composición en porcentajes referidos a número de átomos del diagrama binario de
equilibrio termodinámico de fases sean muy similares a la escala en peso del mismo.
También hay similitud en los puntos de fusión de los metales siendo el del hierro de
1538 ºC y el del níquel de 1455 ºC, dando una diferencia entre ambos de 83 ºC.
Otra similitud notable constituye la poca diferencia entre los calores específicos, que
es en el Fe de 448 Joule/Kg º K y siendo el del níquel 440 Joule/Kg º K.
También sus calores específicos de fusión son parecidos, siendo el del hierro de
14,90 KJ/mol y el del níquel 17,57 KJ/mol.
3.5. ENSAYOS DE SOLDABILIDAD
Los ensayos de soldabilidad permiten evaluar diferentes características del cordón
de soldadura o del material base con el propósito de conocer el alcance del
procedimiento. Estos ensayos en su mayoría son realizados por investigaciones
específicas, los cuales no están normados o reglamentados por entidades oficiales.
Estos ensayos permiten conocer diferentes aspectos tanto del material de aporte
como del material base, su importancia radica en la posibilidad de realizar
comparaciones válidas para determinar procesos o procedimientos de soldadura.
Estos tipos de ensayo proveen información cualitativa acerca de la clasificación de
los materiales, condiciones térmicas, procedimientos empleados; ningún ensayo de
soldabilidad permite conocer datos cuantitativos como resistencia al cizallamiento.
47
3.5.1 ENSAYOS DIRECTOS DE SOLDABILIDAD57
También se los conoce como ensayos reales, puesto que trata de reproducir las
condiciones y procesos más comunes a los que debería estar sometida la soldadura.
3.5.1.1 Ensayo de desgarre
Es un tipo de ensayo destructivo, se usa para juntas a traslape, se puede realizar
este ensayo como prueba de soldabilidad para verificar la adhesión y separación de
una soldadura. Se lo realiza separando las placas soldadas mediante esfuerzos de
tensión en los extremos de la soldadura, lo cual produce un efecto de desgarre en el
material, que permite evidenciar la penetración que ha tenido el material.
Figura 3.1 Ensayo de desgarre57
3.5.1.2. Ensayo Houldcroft57
En este ensayo la soldadura es iniciada en el borde de la lámina que tiene un pre-
corte, a través de ranuras, estas ranuras están acomodadas en dirección
perpendicular al cordón de soldadura y están separadas en espacios iguales; las
ranuras aumentan de tamaño progresivamente hasta el final de la placa. Se deposita
un cordón de soldadura de penetración completa a lo largo de la muestra, la longitud
de las principales fisuras en varias muestras es usada como medida de la
sensibilidad al agrietamiento.
57 Messler, R. (2008). Principles of Welding: processes, physics, chemistry and metallurgy. EEUU:Wiley-VCH.
48
Figura 3.2 Ensayo Houldcroft58
3.5.1.3. Ensayo Varestraint58
Es la prueba más común que se usa para evaluar la sensibilidad de grietas en
caliente. En este ensayo, un extremo de una placa rectangular (50x200x6 mm), es
colocado en una posición firme y el otro extremo queda libre en cantiléver. Un cordón
de soldadura se coloca en la parte superior de la placa a lo largo de su línea central
hasta un punto de tangencia entre la parte en voladizo y un dado que tiene un radio
de curvatura determinado que está localizado debajo de la placa (punto “A” en la
figura 3.3); la sección en cantiléver es curvada aplicando fuerza neumática o
hidráulica tomando la forma del dado, el arco de soldadura continua hasta el punto
“C” de la figura, donde se lo apaga.
La evaluación de este ensayo está basado en la mínima deformación aplicada capaz
de fisurar el cordón, la fisura de mayor longitud como un índice de susceptibilidad a
fisura y la longitud total de la fisura, que se obtiene de la suma de las fisuras
observadas en la zona de fusión y en la zona afectada por el calor.
58 Messler, R. (2008). Principles of Welding: processes, physics, chemistry and metallurgy. EEUU:Wiley-VCH. 582.
49
Figura 3.3 Ensayo Varestraint59
3.5.1.4. Ensayo Tekken60
El ensayo Tekken fue desarrollada en Japón y está estandarizado por la norma
japonesa JIS Z 3158, la articulación Y tiene más restricciones que la articulación U o
doble U, en este ensayo los parámetros de precalentamiento y soldadura son
variados para alterar la tensión; este ensayo es útil para evaluar las grietas y fisuras
en la zona afectada por el calor.
Figura 3.4 Ensayo Tekken60
59 ASM HANDBOOK.(1993). Welding, brazing and soldering: American Society of Materials. Vol. 6. 1498 60 Messler, R. (2008). Principles of Welding: processes, physics, chemistry and metallurgy. EEUU:Wiley-VCH. 586.
50
3.5.1.5. Ensayo Vinkier61
Este ensayo está compuesto por dos placas de 50 mm de espesor soldadas juntas
que componen una sola muestra, los extremos son soldados a un bloque de acero
inoxidable. La muestra se somete a una carga de tracción inducida por el coeficiente
de expansión térmica del bloque de acero con respecto a la muestra. La deformación
total puede ser medida en función de las dimensiones de los elementos, módulos de
elasticidad y coeficientes de expansión térmica.
Figura 3.5 Ensayo Tekken61
3.6 PROGRAMA DE ENSAYO DE SOLDABILIDAD SEGÚN AWS62
Según la ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), “Guide for Welding Iron Castings”, se
consideró ensayos estandarizados para la soldabilidad como son: Varestraint,
Cruciform, Lehigh y Houldcroft, pero se limitan en ciertos casos, al aplicarse en
diferentes tipos de fundiciones de hierro, debido a que la ductilidad del material base
es relativamente bajo en comparación con un material de aporte. Por lo que, se
decidió desarrollar un ensayo práctico y simple, con el cual no se requiere metal de
aporte.
61 Messler, R. (2008). Principles of Welding: processes, physics, chemistry and metallurgy. EEUU: Wiley-VCH. 588. 62 ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), Guide for Welding Iron Castings. 16.
51
3.7. DESARROLLO DEL ENSAYO DE SOLDABILIDAD SEGÚN AWS
El Comité de Soldadura de Fundiciones de Hierro, detalla el programa de ensayo
para evaluar la soldabilidad de varios tipos y grados de fundiciones de hierro.
Básicamente consiste en precalentar el material base a diferentes temperaturas con
el fin de determinar la mínima temperatura a la cual no se presentan fisuras en el
material de prueba, denominada como “temperatura de no-agrietamiento”.
3.8. PROGRAMA DE ENSAYO USADO POR EL COMITÉ DE
SOLDADURA DE FUNDICIONES DE HIERRO63
La prueba para cada tipo o grado de fundición requiere un mínimo de 8 y un máximo
de 13 probetas. Para el caso de fundición nodular, las especificaciones de la probeta
se describen en el capítulo siguiente.
Las probetas deben separarse en tres series de prueba, debidamente preparadas y
con un lapso de 24 horas entre cada prueba. Los parámetros de soldadura están
definidos por la Norma D11.2-89 R (2006).
3.8.1. PRIMERA SERIE
Para la primera serie de prueba, se requieren de 5 probetas preparadas a distintas
temperaturas de precalentamiento, a las cuales se aplica un cordón de soldadura.
Las temperaturas para las probetas de esta serie son las siguientes:
T1: Tambiente
T2: 121 °C
T3: 260 °C
T4: 400 °C
T5: 540 °C
63 ANSI/AWS D11.2-89 R (2006), Guide for Welding Iron Castings. 66.
52
Después de 24 horas, se examina cada probeta mediante la aplicación de tintas
penetrantes de acuerdo a la sección A4 de la norma D11.2-89 R(2006), y se
determina la más alta temperatura a la cual el agrietamiento continúa ocurriendo. A
esa temperatura se la denomina TX.
3.8.2. SEGUNDA SERIE
Para esta serie de prueba, se requieren de 4 probetas nuevas preparadas a distintas
temperaturas de precalentamiento, o bien 3 probetas nuevas y la probeta con
temperatura Tx de la serie anterior, para ser soldada en otra cara de la misma. A las
4 probetas se aplica un cordón de soldadura. Las temperaturas para las probetas de
esta serie son las siguientes:
T1: Tx + 28°C
T2: Tx + 56°C
T3: Tx + 83°C
T4: Tx + 111°C
Después de 24 horas, se examina cada probeta mediante la aplicación de tintas
penetrantes y se determina la más alta temperatura a cual el agrietamiento continúa
ocurriendo. A esa temperatura se la denomina Ty.
3.8.3. TERCERA SERIE
Para esta serie de prueba, se requieren de 4 probetas nuevas preparadas a distintas
temperaturas de precalentamiento, o bien 3 probetas nuevas y la probeta con
temperatura Ty de la serie anterior, para ser soldada en otra cara de la misma.
Nuevamente, a las 4 probetas se aplica un cordón de soldadura. Las temperaturas
para las probetas de la tercera serie son las siguientes:
T1: Ty + 6°C
T2: Ty + 11°C
T3: Ty + 17°C
T4: Ty + 22°C
53
Después de 24 horas dado el proceso de soldadura, se examina cada probeta
mediante la aplicación de tintas penetrantes y se determina la más baja temperatura
a cual el agrietamiento ya no ocurre o bien llamada la Temperatura de no-
agrietamiento.
Se debe tomar en cuenta que si se utiliza las probetas para ser soldadas en la
segunda cara, el segundo precalentamiento no debe superar la temperatura de
precalentamiento de la primera cara soldada de acuerdo con la serie realizada.
3.9. EQUIPAMIENTO REQUERIDO PARA DE ENSAYO MEDIANTE
PROCESO GTAW64
De acuerdo a la Norma D11.2-89 R (2006), el equipamiento para desarrollar el
ensayo de soldabilidad mediante proceso GTAW en fundición nodular es el siguiente:
· Fuente de poder: 300 Amperios
· Tipo de corriente: DC
· Torcha: GTAW con electrodo de aporte de 4.0 mm de diámetro
· Control: Alimentación con control automático para mantener los parámetros de
soldadura
· Dirección de soldadura: horizontal
· Fuente de calor: Capaz de calentar las probetas hasta 650 °C
· Medición de temperatura: transmisión continua durante el precalentamiento y
la soldadura.
64 ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), Guide for Welding Iron Castings. 66.
54
3.10. CONDICIONES DE SOLDADURA REQUERIDAS PARA EL
ENSAYO MEDIANTE PROCESO GTAW65
Los parámetros o condiciones específicas para desarrollar el ensayo son las
siguientes:
· Proceso: GTAW
· Voltaje: 15 + - 0,5 V
· Amperaje: 250 + - 10,0 A
· Polaridad: DCEN (Corriente directa, electrodo negativo)
· Velocidad de soldadura: 5,5 + - 0,2 mm/s
· Electrodo de Tungsteno: 4 mm (diámetro)
· Técnica de inicio: Alta frecuencia
· Aporte de calor: 0,63 + - 0,08 kJ / mm
· Gas de protección: 100% Argón
· Tasa de aporte: 40 cfh (19 L / min)
· Longitud del cordón: 114 + - 6 mm
· Temperatura de precalentamiento: Temperatura ambiente hasta 650 + - 5°C
· Metal de aporte: Ninguno
· Termocupla: Tipo K
· Espécimen: Las dimensiones de la probeta se especifican en el siguiente
capítulo, bajo la Norma D11.2-89 R(2006).
3.11 RESULTADOS DEL ENSAYO DE SOLDABILIDAD SEGÚN AWS65
Una vez efectuado el procedimiento de soldadura en el material de prueba y hallada
la temperatura de no-agrietamiento, se establecieron los resultados que permiten
relacionar ciertas variables y ser usadas para determinar la temperatura de no-
agrietamiento independientemente de la realización del ensayo.
65 ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), Guide for Welding Iron Castings. 18.
55
Las variables evaluadas fueron el metal base y la resistencia dependiendo del grado
de fundición de hierro, la soldadura y dureza del mismo, así como la composición
química, relacionando los resultados con la Norma ANSI/AWS B2.1-84.
Los resultados la para fundición nodular de grado 65-45-12, muestran una
temperatura de no-agrietamiento (450°F o 230°C); resistencia a la tracción (64000
psi ó 304 MPa), Límite de fluencia (48500 psi ó 230 MPa).
3.12 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA SOLDABILIDAD
La soldabilidad es un conjunto de factores entre los cuales se encentran: material
base, metal de aporte, dimensiones de la pieza, tratamiento térmico, capacidad del
operario, etc. Los factores que intervienen en la soldabilidad pueden ser operativos y
metalúrgicos; los operativos son determinados por la variables del proceso y los
factores metalúrgicos dependen de las propiedades de los materiales base y de
aporte.
3.12.1 FACTORES OPERATIVOS
3.12.1.1 Diseño de la junta66
El diseño de la junta debe cumplir los requisitos del conjunto soldado acabado,
también debe mantener una distancia adecuada durante el calentamiento y la
solidificación del metal de aportación.
La selección del diseño puede depender de factores como: el método de
calentamiento, técnicas de fabricación utilizadas antes de la soldadura, cantidad de
elementos a soldar y el método para aplicar la soldadura.
66 ASM HANDBOOK.(1993). Welding, brazing and soldering: American Society of Materials. (6).
56
Figura 3.6 Tipos de juntas67
3.12.1.2 Rango de aporte de calor68
El calor que se aporta debe ser adecuado al espesor del material base y a la
temperatura de fusión del mismo, se puede cuantificar con la siguiente ecuación:
(Ec. 3.1)
Donde:
Q = entrada de calor
V = voltaje [V]
I = corriente [A]
S= velocidad de avance [mm/min]
R= rendimiento, (éste depende del proceso de soldadura usado, para soldadura de
arco de tungsteno y gas R=0.8)
67 ASM HANDBOOK.(1993). Welding, brazing and soldering: American Society of Materials. (6). 68 Weman, K. (2003). Arc welding - an overview: Terminology. Welding processes handbook (p. 5). England: Woodhead Publishing Ltd.
57
3.12.1.3 Presencia de contaminantes69
La presencia de ciertos contaminantes en las superficies a soldar produce reacciones
no deseadas que se asocian con la formación de escorias o gases que contaminan el
cordón de soldadura, lo que genera una pérdida de propiedades. A continuación se
detalla algunos gases y sus efectos:
· Nitrógeno.- los nitruros de hierros disminuyen el alargamiento y la resistencia
al impacto haciendo que el material sea frágil y aumentan la resistencia a la
fluencia y la dureza.
· Oxígeno.- disminuye todas las características mecánicas excepto el
alargamiento.
· Hidrógeno.- evoluciona por difusión en fase sólida.
3.12.1.4 Capacidad del operador
La soldabilidad en el proceso de soldadura depende en un cincuenta por ciento de la
capacidad del operario, de su experiencia y del correcto manejo de los equipos y
herramientas para obtener una soldadura sin defectos.
3.12.2 FACTORES METALÚRGICOS
3.12.2.1 Transformaciones metalúrgicas70
Las transformaciones metalúrgicas generan variaciones en las propiedades de la
soldadura o fisuras en los límites. La figura 3.7 muestra las estructuras presentes en
las zonas de la soldadura de hierro nodular fundido, el cual tiene un contenido de
carbono entre 3% y 4% en peso.
69 Campos, D. (2012). Aspectos Metalúrgicos de la Soldadura. Recuperado el 22 de diciembre de 2015 de https://es.scribd.com/doc/98774723/Aspectos-Metalurgicos-de-la-Soldadura 70 Enríquez, J. (2012). Fabricación de Fundición Nodular. Recuperado el 25 de diciembre de 2015 de: http://oa.upm.es/14450/1/Fundici%C3%B3n_nodular.pdf
58
Figura 3.7 Estructuras en las zonas de la soldadura de hierro fundido nodular71
En las fundiciones la medida de la soldabilidad se define como la tendencia a formar
martensita en la zona afectada por el calor (ZAC), para entender mejor este concepto
se ha desarrollado la fórmula de Carbono Equivalente (CE)72:
(Ec. 3.2)
Donde:
CE = Carbono Equivalente
CT = % Carbono Total
Si = % Si
P = % P
71 ASM HANDBOOK. (1993). Welding, brazing and soldering: American Society of Materials. (6), 1749. 72 Enríquez, J. (2012). Fabricación de Fundición Nodular. Recuperado el 25 de diciembre de 2015 de: http://oa.upm.es/14450/1/Fundici%C3%B3n_nodular.pdf
59
Las propiedades que presentan los materiales dependen de la cantidad de
elementos aleantes que poseen e influyen directamente con el grado de soldabilidad,
como una regla general al aumentar el contenido de carbono en el material
disminuye la soldabilidad; debido a que la excesiva presencia de carbono aumenta la
templabilidad.
Se puede concluir que un metal posee buena soldabilidad cuando cumple con los
tres tipos de soldabilidad anteriores (metalúrgica, operatoria, constructiva); se dice
que tiene soldabilidad regular cuando no cumple con alguno de los tipos de
soldabilidad, pero por medio de procesos tecnológicos se puede obtener una unión
soldada de buena calidad; por último se establece que una mala soldabilidad es
causada cuando no se cumple con dos o más aspectos de la soldabilidad y no
existen procesos que puedan mejorar las propiedades mecánicas y químicas en la
soldadura.73
3.12.3 DEFECTOS DE SOLDADURA EN FUNDICIONES
3.12.3.1 Contracciones de solidificación
Son defectos que producen deformaciones en la pieza o piezas soldadas. A
continuación se detalla las formas de distorsión más comunes.
· Combadura.- efecto que se produce en las piezas soldadas y que genera una
distorsión longitudinal del cordón de soldadura. Puede ser ocasionado por un
diseño inadecuado, contracción del metal de aporte, sujeción defectuosa de
las piezas, etc.
73 Serna, A. (2015). Soldadura-metalurgia de la soldadura-procesos de soldadura-soldabilidad.
Recuperado el 14 de febrero de 2016 de http://blog.utp.edu.co/metalografia/capitulo-18-Soldadura-metalurgia de la soldadura-procesos de soldadura-soldabilidad
60
Figura 3.8 Defecto de combadura en piezas soldadas74
· Distorsión.- es un defecto producido debido al calentamiento desigual de las
piezas o la contracción del metal de aporte.
Figura 3.9 Defecto de distorsión en piezas soldadas74
· Esfuerzos residuales.- es causado por el enfriamiento del cordón de
soldadura.
Figura 3.10 Defecto de esfuerzos residuales en piezas soldadas75
74 DISENSA. (s/f). Temas Generales de Soldadura. Recuperado el 25 de diciembre de 2015 de http://disensa.com/main/images/pdf/temas_generales.pdf. 75 UCA. (s/f). Soldadura. Recuperado el 25 de diciembre de 2015 de http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210034/doc4.pdf,
61
· Arco desviado.- el arco se puede desviar debido al campo magnético que
genera la C.C.
Figura 3.11 Defecto de arco desviado76
· Mal aspecto.- puede ser ocasionado por conexiones defectuosas,
recalentamiento del electrodo, utilización de electrodo inadecuado o amperaje
inadecuado.
Figura 3.12 Mal aspecto del cordón de soldadura76
3.13 ZONA AFECTADA POR EL CALOR (ZAC)
La zona afectada por el calor (ZAC) se encuentra fuera de la zona de fusión en los
metales puros y fuera de la zona parcialmente fundida en las aleaciones, pero ha
sido modificada por la influencia térmica de la soldadura. Es parte del metal base el
cual alcanza una temperatura suficientemente alta para provocar cambios
metalúrgicos, pero no lo suficientemente alta como para derretir el material.
76 DISENSA. (s/f). Temas Generales de Soldadura. Recuperado de http://disensa.com/main/images/pdf/temas_generales.pdf, el 25 de junio de 2016
62
El calor generado por la soldadura puede modificar la microestructura del material
base en la ZAC produciendo recristalización, reacciones de precipitados, crecimiento
de grano, fusión parcial. El calor que se produce durante la soldadura no es
suficiente para fundir el material base, pero si logra cambiar las propiedades iniciales
del mismo.
La presencia de las modificaciones anteriores puede producir una disminución en la
eficiencia de la junta soldada. Para controlar los cambios de dureza que aparecen en
el material base se puede usar un durómetro poligonal en la unión de la soldadura.
63
CAPÍTULO 4
4 PROCESO EXPERIMENTAL
4.1 INTRODUCCIÓN
El presente estudio pretende conocer la soldabilidad del hierro fundido nodular
mediante el proceso de soldadura GTAW, para lo cual se detallarán las condiciones
generales de equipos y materiales que se utilizan. La elevada concentración de
carbono en el material es uno de los limitantes en la soldabilidad, el calor producido
por el proceso de soldadura influye en la forma de la estructura del material así como
también en sus propiedades.
Existen muchos métodos para establecer la soldabilidad de diferentes tipos de
materiales, para la Fundición Nodular se utilizó el método que se detalla en la Guía
para la Soldadura de Fundiciones de Hierro (American National Standard Institute /
American Welding Society, 1989). Ésta guía permite establecer la soldabilidad de
diferentes tipos de fundiciones realizando pruebas de soldadura a diferentes
temperaturas de precalentamiento en probetas de dimensiones específicas que se
detallan en la norma. Después de determinar la temperatura ideal a la cual no se
presentan defectos en el cordón de soldadura se realiza la unión de placas con las
condiciones determinadas.
4.2 SELECCIÓN DEL MATERIAL BASE
El material seleccionado es una fundición de hierro nodular 65-45-12, el cual es
usado por la EPMAPS (Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y
Saneamiento) para el sistema de alcantarillado, siendo las rejillas y tapas los
productos más comunes, los cuales están fabricados por la empresa FUNDIEC S.A,
bajo las especificaciones de la norma NTE INEN 2 496:2009 y la norma NTE INEN 2
499:2009.
64
Se ha seleccionado este tipo de material debido a la extensa gama de productos
industriales que existe en el mercado, con la finalidad de crear procedimientos o
procesos que especifiquen la manera correcta de hacer reparaciones o uniones
permanentes usando soldadura.
4.2.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
4.2.1.1 Dimensiones
La norma ANSI/AWS D 11.2-89 R (2006) establece las dimensiones para las
probetas que se van a utilizar en el proceso de soldadura, tanto de los bloques de
fundición como de las placas, la siguiente tabla muestra los valores.
Tabla 4.1 Dimensiones del material base77
Bloque [mm] Placa [mm]
Largo 177,8 250
Ancho 38,1 150
Espesor 38,1 5
(a) (b)
Figura 4.1 Dimensiones del bloque para ensayo de soldabilidad (a) Longitud del bloque. (b) Altura y profundidad del bloque.
(Fuente propia)
77 ANSI/AWS D11.2-89 R (2006), Guide for Welding Iron Castings, 66.
65
(a)
(b)
Figura 4.2 Dimensiones de la placa para ensayo de soldabilidad
(a) Longitud de la placa. (b) Altura de la placa.
(Fuente propia)
4.2.1.2 Composición química
La empresa ILPM ENGINEERING CIA. LTDA realizó el ensayo de composición
química mediante espectrometría de emisión óptica por chispa, usando un
espectrómetro marca Bruker, modelo Q2 ION; el informe se encuentra en el ANEXO
3 y los resultados se detallan en la siguiente tabla.
66
Tabla 4.2 Resultado de análisis químico78
Metal Porcentaje (%)
Carbono (C) 4,105
Silicio (Si) 2,686
Manganeso (Mn) 0,645
Fósforo (P) < 0,003
Azufre (S) < 0,003
Cromo (Cr) 0,271
Molibdeno (Mo) < 0,005
Níquel (Ni) 0,029
Cobre (Cu) 0,019
Aluminio (Al) 0,0054
Cobalto (Co) < 0,003
Magnesio (Mg) 0,031
Niobio (Nb) 0,0087
Titanio (Ti) 0,0069
Vanadio (V) < 0,003
Wolframio (W) < 0,01
Boro (B) < 0,001
Estaño (Sn) < 0,002
Hierro (Fe) 92,19
78 ILPM ENGINEERING CIA. LTDA
67
4.2.1.3 Características generales
La norma ASTM A 536-84 (2014) detalla algunas propiedades mecánicas del
material, la siguiente tabla reúne la información respectiva.
Tabla 4.3 Características mecánicas del material base79
Características Fundición nodular Resultado ensayo
mecánicas 65-45-12 tracción FUNDIEC *
Resistencia a 448 540,91
la tracción [MPa]
Límite de Fluencia 310 359,17
[MPa]
Elongación (%) 12 12,59
* Nota: Los resultados corresponden al ensayo de tracción realizado por la empresa FUNDIEC S.A al
hierro nodular de grado 65-45-12, el informe de resultados se presenta en el ANEXO 7.
4.2.1.4 Defectos del material base
Debido al espesor mínimo de la placa, el material puede presentar defectos comunes
de las fundiciones, los cuales influyen en la homogeneidad y acabado superficial; en
la figura 4.3 se muestra poros producidos en el material durante su fabricación.
Figura 4.3 Defectos de fabricación en la placa
(Fuente propia)
79 ASTM A536-84(2014) Standard Specification for Ductile Iron Castings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014,
68
Figura 4.4 Defectos de fabricación en el bloque
(Fuente propia)
Los poros cercanos a la superficie en el material base, pueden aparecer por la
generación de gases producida por reacciones molde – metal. El adecuado control
de las variables operativas de producción (rediseño de modelos y sistemas de
colada) es lo que permitirá obtener piezas libres de defectos.80
4.3 SELECCIÓN DEL ELECTRODO81
La norma ANSI/AWS D11.2-89 R (2006) específica que el electrodo que se usa para
GMAW, también se puede utilizar para el proceso de soldadura GTAW, el cual está
conformado en base de Níquel, siendo el comúnmente utilizado.
Dentro del mercado nacional existen muchas casas comerciales que ofertan
electrodos en base de Níquel. Para el presente estudio se escogió la empresa
INDURA. El electrodo seleccionado fue Níquel 55 (Ni-55) con diámetro de 4 mm, el
cual tiene una dureza de 200 HB.
La empresa fabricante recomienda usar el electrodo sin recubrimiento, usando el
núcleo como material de aporte, la figura 4.5 muestra el alambre con revestimiento y
sin revestimiento.
80 Martinez, R. (2001). Caracterización de defectos y propiedades mecánicas en probetas de fundición esferoidal de pequeño espesores. Recuperado el 05 de septiembre de 2016 de http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/posadas/trabajos/0219.pdf 81 INDURA, (s/f). Catálogo de Procesos y Productos, 18.
69
Figura 4.5 (a) Electrodo sin revestimiento. (b) Electrodo con revestimiento.
(Fuente propia)
4.4 MAQUINADO DE PROBETAS
Debido a que el material fundido suele presentar defectos como parte del proceso de
fundición en la fabricación, se solicitó sobredimensionamiento en la fabricación con la
finalidad de maquinar el material, lograr superficies uniformes sin defectos en lo
posible y con las dimensiones especificadas por la Norma ANSI/AWS D11.2-89 R
(2006) detalladas en la sección 4.2.1. Los planos de taller para el maquinado de las
probetas se detallan en el ANEXO 1 y ANEXO 2. La siguiente tabla muestra los
valores iniciales.
Tabla 4.4 Dimensiones iniciales del material base
Espécimen Cantidad Dimensiones iniciales [mm]
Bloque de fundición nodular 13 185 x 42 x 42
Placa de fundición nodular 2 250 x 150 x 7
(Fuente Propia)
70
Varias operaciones de maquinado, como fresado, torneado, corte por sierra y
punzado se relacionan con la deformación plástica del material. En el caso del hierro
al tener una estructura B.C.C (cúbica centrada en el cuerpo), el material tiene menos
átomos por celda unitaria y no poseen un sistema de deslizamiento bien definido ni
tienen un plano realmente compacto, por lo que se tiene una componente crítica del
esfuerzo cortante alta necesaria para el deslizamiento, que en el caso del hierro es
de 3980 [lb/pulg2]. Lo que provoca que el material no tenga un alto grado de
plasticidad. 82
Para el maquinado de los 13 bloques y 2 placas de fundición nodular grado 65-45-12
se realizaron los siguientes procesos de máquinas-herramientas:
· Operaciones en limadora.- este proceso comprendió en el acepillado para
desbastar las dimensiones de altura y profundidad de los 13 bloques de
fundición nodular y el afinado de la junta en las placas de fundición nodular.
Se utilizó la limadora de avance horizontal, una cuchilla de acero rápido o HSS
(High Speed Steel) debidamente afilada en esmeril y no se utilizó ninguno
fluido de refrigeración. El proceso se muestra en la figura 4.6.
Figura 4.6 Desbaste de probetas en la limadora
(Fuente propia)
82 Avner, S. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da Edición. México: McGraw Hill. 126.
71
· Operaciones en torno.- el proceso consistió en el refrentado de la longitud de
los 13 bloques de fundición nodular. Se utilizó un torno con avance horizontal,
una cuchilla de acero rápido o HSS (High Speed Steel) debidamente afilada
en esmeril y no se utilizó ninguno fluido de refrigeración. La figura 4.7
evidencia lo descrito anteriormente.
Figura 4.7 Refrentado de las caras opuestas de los bloques
(Fuente propia)
· Operaciones en taladro.- el proceso consistió en el taladrado de una cara en
sentido axial de los 13 bloques de fundición nodular. Se utilizó un taladro fijo
con avance vertical, una broca fabricada en acero rápido de 5 [mm] de
diámetro y no se utilizó ninguno fluido de refrigeración. La figura 4.8 muestra
el proceso mencionado.
72
Figura 4.8 Taladrado de probetas
(Fuente propia)
Operaciones en rectificadora.- el proceso consistió en el afinado de los 13 bloques y
las dos placas de fundición nodular para obtener las medidas especificadas en la
sección 4.2.1. Se utilizó una rectificadora con avance de trabajo horizontal, un disco
de piedra fina y no se utilizó fluido de refrigeración. En la figura 4.9 se muestra el
proceso de afinado para un lado del bloque, este proceso se lo repitió en los cuatro
lados del bloque.
Figura 4.9 Rectificado de bloques de fundición nodular
(Fuente propia)
73
La figura 4.10 muestra el proceso de afinado en una cara de la placa de fundición
nodular, el proceso también se realizó en la otra cara.
Figura 4.10 Rectificado de placas de fundición nodular
(Fuente propia)
4.5 PROCESO DE SOLDADURA
Después de terminar la preparación de las probetas a utilizar se procedió a realizar
los ensayos de soldadura, para lo cual se calculó un régimen de tratamiento térmico
que se aplicó en el horno eléctrico con la finalidad de controlar el pre-calentamiento.
A continuación se explica los cálculos realizados para obtener el tiempo de
calentamiento y tiempo de permanencia para cada una de las probetas que
pertenecen a las series que se especifican en la norma ANSI/AWS D 11.2-89 R
(2006).
4.5.1 RÉGIMEN DE TRABAJO PARA EL HORNO ELÉCTRICO
Un régimen de trabajo de tratamiento térmico consiste en controlar cuatro variables
principales que son:
· Temperatura de calentamiento (Tcal).- es la máxima temperatura a la cual se
calienta el material y que produce una transformación de fase.
74
· Tiempo de permanencia (tp).- es el tiempo que se debe mantener el material
a la temperatura de calentamiento para conseguir una transformación total o
parcial de la microestructura. El tiempo de permanencia es aproximadamente
1/4 del tiempo de calentamiento, se debe considerar que el tiempo de
calentamiento depende de la geometría del material y de la conductividad
térmica del mismo.
(Ec. 4.18)83
Dónde: tp es el tiempo de permanencia y tc es el tiempo de
calentamiento.
· Velocidad de calentamiento (Vcal).- es el incremento de temperatura en un
determinado tiempo, debe ser controlada para evitar que se produzcan micro-
fisuras ocasionadas por la dilatación térmica, equivale a 3 °C/min.83
La velocidad de calentamiento o enfriamiento se puede calcular como la
derivada de la temperatura T respecto al tiempo t, como lo muestra la
ecuación 4.17.
(Ec. 4.17)84
· Velocidad de enfriamiento (Venf).- es la disminución de temperatura en un
determinado tiempo, su valor depende del medio en que se enfríe el material.
La Tcal fue determinada realizando un sobrecalentamiento al material base respecto a
la temperatura requerida, con la finalidad de obtener la temperatura deseada al
momento de llegar a la mesa de trabajo para realizar el cordón de soldadura.
83 PANTOJA, F. (2015). Apuntes de Tratamientos Térmicos. 84 PANTOJA, F. (2015). Apuntes de Tratamientos Térmicos.
75
4.5.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURA
La medición de temperatura se realizó con un termómetro marca Fluke 54 II,
acoplado con una termocupla tipo K que permite medir un rango entre – 200 °C a
1372 °C, termocupla se introdujo en el agujero del bloque para controlar la
temperatura.
Figura 4.11 Termómetro Fluke 54 II
(Fuente propia)
También se usó un pirómetro laser marca Fluke 62 Mini IR, el cual permitió tomar
medidas de la temperatura de la placa durante el proceso de soldadura.
Figura 4.12 Pirómetro Fluke 62 Mini
(Fuente propia)
76
4.5.3 RÉGIMEN DE TRATAMIENTO TÉRMICO EN LAS SERIES85
Para el régimen de tratamiento térmico en cada serie se utilizó carbón para cubrir las
probetas con el fin de proteger la superficie del material de la atmósfera oxidante
producto del ambiente.
En la sección 3.8 del capítulo anterior se detalla el procedimiento considerando los
valores de temperatura de precalentamiento para cada serie de pruebas que sugiere
la Guía (ANSI/AWS, 1989) aplicada a la Soldadura de Hierro Fundido para conocer la
soldabilidad del hierro fundido nodular.
4.5.3.1 Régimen de tratamiento térmico para la primera serie
Se seleccionó cinco probetas para esta serie, el régimen se detalla a continuación.
4.5.3.1.1 Régimen de tratamiento térmico para la primera probeta
La primera probeta no necesitó precalentamiento, el cordón de soldadura se lo
realizó a la temperatura ambiente.
4.5.3.1.2 Régimen de tratamiento térmico para la segunda probeta
La segunda probeta fue calentada con la ayuda de un reverbero a gas y una placa
metálica, la figura 4.11 ilustra de mejor manera lo descrito, ésta probeta no fue
calentada en el horno debido a que su temperatura de precalentamiento se puede
alcanzar de forma controlada usando los materiales mencionados anteriormente.
Figura 4.13 Precalentamiento a 121 °C
(Fuente propia) 85 PANTOJA, F. (2015). Apuntes de Tratamientos Térmicos.
77
4.5.3.1.3 Régimen de tratamiento térmico para la tercera probeta
Se planteó los parámetros principales de temperatura para cada caso del régimen de
precalentamiento, considerando una temperatura máxima superior a la temperatura
final debido a la caída de temperatura que se produce al sacar el material del horno.
Tamb = 18 °C °
Tmáx = 300 °C
Tfinal = 260 °C
Þ
° °
°
\ tc = 94 [min]
\
4.5.3.1.4 Régimen de tratamiento térmico para la cuarta probeta
T0 = 260 °C °
Tmáx = 450 °C
Tfinal = 400 °C
Þ
° °
°
\ tc = 63 [min]
\
78
4.5.3.1.5 Régimen de tratamiento térmico para la quinta probeta
T0 = 400 °C °
Tmáx = 600 °C
Tfinal = 540 °C
Þ
° °
°
\
\ tc = 67 [min]
Después de terminar la primera serie, la probeta sometida a precalentamiento de
260°C presentó grietas en la soldadura, tras ser analizada mediante ensayo de tintas
penetrantes, esta temperatura se la denominó Tx.
4.5.3.2 Régimen de tratamiento térmico para la segunda serie
Tomando en cuenta la temperatura Tx seleccionada como base para el desarrollo de
esta serie, se procedió a realizar el régimen de calentamiento para cada probeta
conforme lo señala la sección 3.7 del capítulo anterior.
4.5.3.2.1 Régimen de tratamiento térmico para la primera probeta
Tamb = 20 °C
Tmáx = 300 °C
Tfinal = 288 °C
79
°
Þ
° °
°
\ tc = 93 [min]
\
4.5.3.2.2 Régimen de tratamiento térmico para la segunda probeta
T0 = 280 °C °
Tmáx = 330 °C
Tfinal = 316 °C
Þ
° °
°
\ tc = 16 [min]
\
4.5.3.2.3 Régimen de tratamiento térmico para la tercera probeta
T0 = 300 °C
Tmáx = 360 °C
Tfinal = 343 °C
°
80
Þ
° °
°
\ tc = 20 [min]
\
4.5.3.2.4 Régimen de tratamiento térmico para la cuarta probeta
T0 = 330 °C °
Tmáx = 400 °C
Tfinal = 371 °C
Þ
° °
°
\
\ tc = 23 [min]
Una vez finalizada la segunda serie, la probeta que presentó grietas es la que se
precalentó a 316 °C, la cual se denominó como temperatura Ty y se escogió como la
temperatura base para el desarrollo de la tercera serie.
81
4.5.3.3 Régimen de tratamiento térmico para la tercera serie
Tomando en cuenta la temperatura Ty, y debido a que la diferencia de temperaturas
entre cada probeta sometida a precalentamiento es mínima, se consideró un solo
régimen de tratamiento térmico para las cuatro probetas, controlando su valor exacto
con la ayuda de ladrillos refractarios y un reverbero a gas.
La figura 4.12 muestra la estabilización de la temperatura de cada probeta con el
reverbero, después de realizado el régimen de precalentamiento.
Figura 4.14 Precalentamiento a 327 °C
(Fuente propia)
4.5.3.3.1 Régimen de tratamiento térmico para las cuatro probetas
Tamb = 20 °C °
Tmáx = 350 °C
Þ
° °
°
\ tc = 110 [min]
82
\
Al finalizar la tercera serie, se aplicó el criterio de selección sin defectos, la probeta
que no presentó grietas es la que se precalentó a 327 °C, dicha temperatura se tomó
en cuenta para el precalentamiento final de las placas a soldar.
4.5.4 TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO SEGÚN CARBONO
EQUIVALENTE
La Guía para la Soldadura de Hierro Fundido ANSI/AWS D 11.2-89 R(2006),
relaciona mediante un gráfico el porcentaje de carbono equivalente con la
temperatura de precalentamiento a la cual no se presenta fisuras. Usando la fórmula
de Carbono equivalente que se especifica en la sección 3.12.2.1, se determinó la
temperatura de pre-calentamiento, tomando los valores de los aleantes detallados en
la sección 4.2.1.2.
Debido a que el porcentaje de carbono en peso excede el rango normal para
fundiciones nodulares, la composición de carbono se estimará usando el diagrama
de Heinbauer, el cual hace una relación entre el espesor del material y el carbono
equivalente mediante la medida de dureza.
83
Figura 4.15 Diagrama de Heinbauer86
Una vez calculado el carbono equivalente se procedió a encontrar el porcentaje de
carbono usando ecuación 4.19:
(Ec. 4.19)87
86 Gordillo, S. (2010). Estudio de los Tratamientos Térmicos de Templado y Revenido en la Fundición de Hierro Dúctil con Matriz Metálica Ferrítica. 87 Enríquez, J. (2012). Fabricación de Fundición Nodular, pág. 36.
84
Despejando de la ecuación anterior se tiene:
\
Calculando el grado de saturación Sc, debe obtenerse un valor próximo a la unidad,
lo cual corresponde a una fundición nodular ferrítica común de grado 65-45-12 según
la norma ASTM A-536, la ecuación 4.20 permite el cálculo del grado de saturación:
(Ec. 4.20)88
\ 1,011
De los resultados anteriores se realiza la estimación de la temperatura a la cual el
material no presenta grietas, la figura 4.14 permite relacionar el carbono equivalente
con la temperatura.
88 Gordillo, S. (2010). Estudio de los Tratamientos Térmicos de Templado y Revenido en la Fundición de Hierro Dúctil con Matriz Metálica Ferrítica.
85
Figura 4.16 Relación entre carbono equivalente y temperatura sin grietas89
89 ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), Guide for Welding Iron Castings, 20.
86
4.5.5 DISEÑO DE LA JUNTA DE SOLDADURA
La junta que se escogió está detallada en la Guía para la Soldadura de Hierros
Fundidos (ANSI/AWS, 1989), la cual sugiere que para materiales que tengan un
espesor menor a media pulgada es recomendable un ángulo de bisel de 60°, un talón
de 2 mm y una separación de 3 mm como máximo, en la figura 4.17 se observa lo
descrito.
Figura 4.17 Dimensiones de la junta de soldadura90
La figura 4.18 indica la junta realizada con la ayuda de una amoladora y un disco de
corte.
Figura 4.18 Junta de soldadura
(Fuente propia)
90 ANSI/AWS D11.2-89 R(2006), Guide for Welding Iron Castings, 16.
87
4.5.6 DISEÑO DEL CUPÓN DE SOLDADURA91
Un cupón de soldadura permite realizar ensayos destructivos y no destructivos con el
fin de conocer la calidad de la soldadura, los ensayos destructivos que se realizaron
son: ensayo de tracción, doblado de cara y raíz; los ensayos no destructivos que se
realizaron fueron: tintas penetrantes e inspección visual.
Se deben considerar algunos aspectos para el desarrollo del cupón, los cuales son:
- Tipo de ensayo a realizarse.
- Dimensiones y geometría de la junta.
- Efectos del calor en el proceso de soldadura.
- Facilidad de maquinado y manipulación.
La figura 4.19 ilustra el modelo del cupón diseñado y los ensayos respectivos que
deberán realizarse.
Figura 4.19 Cupón de soldadura
(Fuente propia)
91 Álvarez Chipugsi, A. (2015). Estudio Comparativo de la Soldabilidad del Hierro Fundido Dúctil con los Procesos SMAW y TB. Tesis de Ingeniería, Escuela Politécnica Nacional. Quito.
88
4.5.7 PROCESO DE SOLDADURA
Después de determinar las temperaturas de precalentamiento para las probetas y las
placas, se procedió a realizar el cordón de soldadura; el proceso utilizado se
encuentra detallado en la sección 3.8, la norma ANSI/AWS D11.2-89 R (2006)
especifica las condiciones de trabajo para los materiales, herramientas y equipos.
Para realizar la soldadura en las probetas que han sido precalentadas, se usó una
entenalla para poder sujetarlas. La figura 4.20 muestra lo descrito.
Figura 4.20 Proceso de soldadura en las probetas
(Fuente propia)
Una vez terminada la serie de pruebas en las probetas, se procedió a realizar la
soldadura de las placas. Para evitar defectos de deformación en el cordón de
soldadura se colocaron respaldos o puentes entre las placas, dejando la distancia
correcta de separación, lo dicho se observa en la figura 4.21.
La norma ANSI/AWS D11.2 89 R(2006), no especifica la colaboración de un soldador
calificado; sin embargo para el presente proyecto se contrató un soldador calificado
en el proceso de soldadura GTAW, su documento de calificación se presenta en el
ANEXO 4.
89
Figura 4.21 Colocación de respaldos entre las placas
(Fuente propia)
De igual manera para evitar defectos de desalineamiento en las placas se soldaron
platinas al inicio y al final del espacio destinado al cordón de soldadura como se
indica en la figura 4.22.
Figura 4.22 Colocación de platinas
(Fuente propia)
90
Durante el proceso de soldadura de las placas se usó una prensa manual con el fin
de mantenerlas fijas a la superficie de apoyo, tal como se observa en la figura 4.23.
Figura 4.23 Realización del cordón de soldadura entre placas
(Fuente propia)
4.5.8 ENFRIAMIENTO POST-SOLDADURA
Al finalizar el proceso de soldadura se realizó un enfriamiento lento debido a que el
material se encuentra a elevada temperatura, lo ideal es realizarlo dentro del mismo
horno, pero debido a las dimensiones finales de la placa soldada no fue posible
realizarlo; por ese motivo se escogió como medio de enfriamiento la arena sílice, la
figura 4.24 muestra lo citado anteriormente.
91
Figura 4.24 Enfriamiento post-soldadura de las placas
(Fuente propia)
4.6 TINTAS PENETRANTES92
Como uno de los métodos de ensayos no destructivos, los líquidos penetrantes
permiten detectar defectos abiertos en la superficie, tales como grietas, fisuras y
poros. El método es aplicable en metales (ferrosos y no ferrosos), en materiales
cerámicos, plásticos y vidrios.
La Norma ASTM-E165, cubre procedimientos para la examinación penetrante de
materiales, debe considerarse que este método no indica ni sugiere criterios de
evaluación de las indicaciones detectadas. Sin embargo, una vez que se hayan
identificado las indicaciones, deben interpretarse o clasificarse y posterior deben
evaluarse, por lo que se necesita de un código o especificación diferente, para definir
el tipo, el tamaño, la ubicación o la dirección de indicaciones consideradas como
aceptables y de aquellas consideradas como inaceptables. Los procesos de
inspección en soldadura permiten evaluar algunas características de una unión
soldada, tales como dimensiones y forma de los cordones de soldadura.
92 ASTM E165 / E165M-12, Standard Practice for Liquid Penetrant Examination for General Industry, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org.
92
4.6.1 FUNDAMENTO DEL MÉTODO
Este método de inspección se fundamenta en la capacidad que poseen ciertos
líquidos para penetrar y ser retenidos en discontinuidades presentes en la superficie
que no pueden ser detectadas visualmente, la propiedad se denomina capilaridad y
depende de la mojabilidad que poseen los líquidos, como se indica en la figura 4.25.
Figura 4.25 Fundamento de acción de líquido penetrante
(Fuente propia)
4.6.2 CLASIFICACIÓN DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES93
Los materiales para la examinación de líquidos penetrantes consisten en:
penetrantes fluorescentes y visibles; emulsificantes en base de aceite (acción rápida)
y de agua (acción lenta); removedores solventes y reveladores.
Tabla 4.5 Clasificación de líquidos penetrantes94
METODO TIPO PROCESO PIGMENTO REMOCION DEL PENETRANTE
A 1 A1 Fluorescente Lavable con agua
A 2 A2 Fluorescente Post - emulsificable
A 3 A3 Fluorescente Removible con solvente
B 1 B1 Coloreada Lavable con agua
B 2 B2 Coloreada Post - emulsificable
B 3 B3 Coloreada Removible con solvente
93 ASTM E165 / E165M-12, Standard Practice for Liquid Penetrant Examination for General Industry, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org. 94 Guía de Prácticas Laboratorio de Ensayos No destructivos, 2015
93
4.6.2.1 Proceso A1-B1
Figura 4.26 Proceso de aplicación A1 y B195
4.6.2.2 Proceso A2-B2
Figura 4.27 Proceso de aplicación A2 y B295
95 Guía de Prácticas Laboratorio de Ensayos No destructivos.
94
4.6.2.3 Proceso A3-B3
Figura 4.28 Proceso de aplicación A3 y B396
4.6.3 SELECCIÓN DE TINTAS PENETRANTES
Para el presente trabajo con material de fundición nodular, el líquido penetrante se
escogió es un coloreado por la facilidad que presenta al ser visible a simple vista.
Además, para la remoción del penetrante se seleccionó el lavable con agua, ya que
se cumple con la presión promedio que es de 30 a 50 [psi] de agua y una
temperatura de 16 a 43 °C.
Entonces para el proceso de ensayo no destructivo que se debe aplicar según lo
exige la Norma ANSI / AWS D11.2 89 R(2006) se seleccionó el método B1, los
materiales se indican en la figura 4.29.
96 Guía de Prácticas Laboratorio de Ensayos No destructivos.
95
(a) (b)
Figura 4.29 (a) Líquido penetrante aplicable al proceso.
(b) Revelador aplicable al proceso.
(Fuente propia)
4.6.4 APLICACIÓN DE LA PRUEBA DE TINTAS PENETRANTES
Este método de ensayo no destructivo se aplicó de acuerdo a la especificación dada
por la Norma ANSI/AWS D11.2-89 R(2006) para cada día de prueba. El método de
examinación de tintas penetrantes se realizó conforme lo señala la Norma ASTM E-
165 siendo aplicada en este proyecto de la siguiente manera.
4.6.4.1 Preparación del material soldado
Se ubicó las probetas soldadas de cada día según la serie correspondiente,
clasificándolas de acuerdo a la temperatura a la cual se aplicó el ensayo de
soldabilidad, como se indica en la figura 4.30.
96
Figura 4.30 Selección de las probetas ensayadas
(Fuente propia)
4.6.4.2 Limpieza del material soldado
Se limpió cada probeta a examinar, con el fin de retirar cualquier contaminante en la
superficie, además se secó la superficie de aplicación, lo dicho se muestra en la
figura 4.31.
Figura 4.31 Limpieza de cada probeta
(Fuente propia)
4.6.4.3 Aplicación de líquido penetrante
Se agitó el líquido penetrante seleccionado previo a su aplicación. Posterior a esto se
aplicó el líquido penetrante uniformemente sobre la superficie a examinar y se dejó
actuar durante 10 minutos, con el fin de que el líquido ingrese en las
discontinuidades, la aplicación se muestra en la figura 4.32.
97
Figura 4.32 Aplicación del líquido penetrante en las probetas
(Fuente propia)
4.6.4.4 Limpieza del exceso de tinta penetrante
Cumplido el tiempo de la aplicación y usando un paño limpio se removió el exceso de
penetrante de la superficie, tal como se indica en la figura 4.33.
Figura 4.33 Limpieza del exceso de penetrante de cada probeta
(Fuente propia)
98
4.6.4.5 Aplicación del revelador
Se agitó el revelador seleccionado previo a su aplicación. Posterior se aplicó el
revelador uniformemente sobre la superficie a examinar, se dejó actuar durante 7
minutos para bosquejar el penetrante atrapado fuera de la discontinuidad y
determinar así el revelador, la figura 4.34 indica el proceso de aplicación del
revelador.
Es necesario tomar en cuenta que capas finas de revelador no extraen al penetrante
y capas gruesas enmascaran la información.
Figura 4.34 Aplicación del revelador sobre cada probeta
(Fuente propia)
4.6.4.6 Inspección visual
Posterior al tiempo del revelador, la superficie se examinó para emitir el juicio y
determinar la presencia o ausencia de indicaciones.
4.6.4.7 Limpieza final
Se realizó la limpieza final de las probetas y del sitio ocupado.
99
4.7 ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Los ensayos destructivos de tracción y doblado se realizaron en la máquina universal
de ensayos TINIUS OLSEN de la figura 4.35.
Para la realización de este tipo de ensayos se consideró las propiedades mecánicas
del material base y de la soldadura, permitiendo evaluar las características que
determinan la tenacidad del material (capacidad del material para resistir la fractura)
en la aplicación del proceso GTAW sobre la fundición nodular.
Figura 4.35 Maquina universal de ensayos TINIUS OLSEN
(Fuente propia)
100
4.7.1 ENSAYO DE TRACCIÓN97
La prueba de tensión permite determinar el esfuerzo de fluencia y la ductilidad de los
materiales bajo esfuerzos de tracción uniaxial. El ensayo estándar según la Norma
ASTM E8M-15a cubre las pruebas de tensión de materiales metálicos en cualquier
forma a la temperatura ambiente.
4.7.1.1 Especificaciones para las probetas de tracción
El ensayo se realizó de acuerdo a la Norma ASTM E8M-15a, por lo que se tomó en
cuenta los parámetros especificados que permitieron preparar las probetas para el
ensayo, la figura 4.36 es un esquema que indica los parámetros a seguir.
Debido a la longitud de las placas soldadas que es inferior a 400 [mm] se
seleccionaron los siguientes parámetros.
Figura 4.36 Requerimientos para el ensayo de tracción107
G: cuello de garganta: 50,0 ± 0,1 [mm/min]
W: ancho: 12,5 ± 0,2 [mm/min]
T: espesor del material: 5 [mm]
R: radio del filete: 12,5 [mm]
L: longitud total: 200 [mm]
A: longitud de la sección reducida: 57 [mm/min]
B: longitud de la zona de amordazado: 50 [mm]
C: altura de la sección de amordazado: 20 [mm]
97 ASTM E8 / E8M-15a, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org
101
4.7.1.2 Preparación de probetas T1 y T2
Se cortó y se limó la longitud de la sección reducida de cada probeta. Tomando en
cuenta el ancho W que debe ser constante a lo largo del cuello, ya que en la sección
reducida es la parte que realmente se somete a la carga y al alargamiento. Las
probetas maquinadas presentan secciones mayores en los extremos y una sección
reducida en el medio, como se indica en la figura 4.37.
Figura 4.37 Corte y limado del espécimen
(Fuente propia)
Se marcó la longitud de trabajo o de calibre en la sección reducida en el medio de la
probeta. Esta sección permite determinar la elongación o ductilidad del material
después del ensayo. La marca de calibre se indica en la figura 4.38.
Figura 4.38 Marca de calibre en la probeta de tracción
(Fuente propia)
102
4.7.1.3 Inspección visual de las probetas T1 y T2
Se identificó los defectos presentes en cada probeta, para determinar si influyen en
el desarrollo del ensayo alterando los resultados finales.
En la probeta T1 y en probeta T2 se observaron discontinuidades inherentes a la
colada en el proceso de fundición. Se trata de poros o inclusiones gaseosas, estas
indicaciones se forman por el gas que es insoluble en el metal líquido y es atrapado
cuando solidifica, lo dicho se indica en la figura 4.39 (a) y (b) para la probeta T1 y la
figura 4.40 (a) y (b) para la probeta T2.
No se logró eliminar esas discontinuidades mediante la rectificación de las placas.
Sin embargo la ubicación de las mismas es en la parte correspondiente al
amordazado. El cuello de garganta en la sección reducida no presentó
discontinuidades en ambas probetas.
(a)
(b)
Figura 4.39 (a) Defectos en la probeta T1. (b) Ampliación de la probeta que muestra las discontinuidades en la región de amordazado.
(Fuente propia)
103
(a)
(b)
Figura 4.40 (a) Defectos en la probeta T2. (b) Ampliación de la probeta que muestra la discontinuidad en la región de amordazado.
(Fuente propia)
4.7.1.4 Realización del ensayo de tracción
Se montó cada probeta en la máquina universal se aplicó la carga como lo indica la
figura 4.41. Posterior a esto se registró los valores correspondientes.
Figura 4.41 Realización del ensayo de tracción para la probeta T1 y T2
(Fuente propia)
104
4.7.2 ENSAYO DE DOBLADO98
El ensayo de doblado es un método para evaluar la ductilidad del material, pero no
puede considerarse como un método cuantitativo para predecir su comportamiento
en operaciones de doblado de producción. La severidad de un ensayo de doblado
depende del radio de curvatura interior al que se dobla la probeta y de la sección de
la probeta.
4.7.2.1 Especificaciones para las probetas de doblado99
Según la Norma INEN NTC-110, la probeta debe ser de sección rectangular con
aristas levemente redondeadas. Se necesario redondear longitudinalmente las
aristas de las probetas de sección rectangular, eliminando grietas o marcas. El radio
de redondeo será inferior al espesor de la probeta. En el ensayo de doblado con
matriz se recomienda que la longitud de la probeta sea de alrededor de 250 [mm].
4.7.2.2 Preparación de probetas DC y DR
Se efectuó el maquinado en la dirección longitudinal de la probeta, hasta donde sea
aplicable. Se redondeó longitudinalmente las aristas de las probetas de sección
rectangular, eliminando grietas o marcas.
Para la Probeta de doblado de cara se esmeriló la sobremonta hasta obtener una
superficie plana. Se verificó que no haya superficies expuestas.
Para la probeta de doblado de raíz se esmerilo el cordón de raíz hasta obtener una
superficie plana. Se verificó que no haya superficies expuestas que anulen el ensayo,
la figura 4.42 indica el proceso de esmerilado del cordón de raíz.
Figura 4.42 Preparación de la probeta DR
(Fuente propia)
98 NTE INEN 110:1975-03. Ensayo de doblado para el acero. Primera Edición.
105
4.7.2.3 Inspección visual de las probetas DC y DR
Las probetas de doblado de cara y raíz no presentaron indicaciones en la zona de
doblado, tal como se puede observar en la figura 4.43.
Figura 4.43 Probeta de doblado de cara (DC) y probeta de doblado de raíz (DR)
(Fuente propia)
4.7.2.4 Realización del ensayo de doblado
Se colocó la probeta sobre la matriz y se dobló por medio de una carga aplicada
sobre la matriz hasta alcanzar un ángulo especificado. Dado que se trató con un
material frágil, se procedió solo a medir el ángulo en el cual empezó la fisura en el
material.
Se utilizó el dispositivo de doblamiento en matriz adaptado a la máquina universal (JI
de doblado). La matriz tiene un entalle en forma de ¨U¨, esto se indica en la figura
4.44.
Figura 4.44 Realización del ensayo de doblado en la probeta DC y DR.
(Fuente propia)
106
4.8 ANÁLISIS METALOGRÁFICO
Para el análisis metalográfico se procedió a extraer dos probetas de material base,
las cuales deben ser preparadas de acuerdo a la norma ASTM E-3.
4.8.1 PREPARACIÓN DE LA PROBETA
La preparación de las probetas consiste en una serie de procesos que permitieron
realizar una inspección microscópica de su estructura, tamaño de grano, zona
afectada por el calor (ZAC) y micro defectos. Para el mejor manejo de las probetas,
debido a su espesor reducido, se realizó un recubrimiento con resina poliéster,
cobalto al 12% y peróxido MEC a las muestras, la figura 4.45 (a) y (b) muestra este
proceso.
(a)
(b)
Figura 4.45 (a) y (b) Recubrimiento con resina de las probetas
(Fuente propia)
4.8.1.1 Desbaste grueso
Este proceso permite remover el óxido, pintura, rebabas de la superficie del material,
se realizó con una desbastadora de disco que contiene una lija que puede ser de
número 60,80 ó100 (grano/pulgada lineal), el proceso de desbaste grueso se indica
en la figura 4.46.
107
Figura 4.46 Desbaste grueso de las probetas M1 y M2
(Fuente propia)
4.8.1.2 Desbaste fino
Esta etapa permite remover deformaciones o defectos causados por la etapa
anterior, se usaron lijas de número 240, 320, 600 y 1200 (granos/pulgada lineal), las
cuales se usan de forma ascendente hasta conseguir una superficie relativamente
limpia.
Figura 4.47 Desbaste fino de las probetas M1 y M2
(Fuente propia)
108
4.8.1.3 Pulido
En este proceso se utilizó una pulidora de paño junto con un abrasivo de alúmina de
1 micra, suspendida en agua, el objetivo es remover los defectos causados por el
desbaste fino y dejar la superficie resplandeciente como un “espejo” para poder
observar la microestructura.
Figura 4.48 Pulido fino de la probeta M2
(Fuente propia)
4.8.1.4 Ataque químico
Después de terminar con el proceso de desbaste y pulido, se realizó un ataque
químico a la muestra. El reactivo que se utilizó es nital al 10% en forma de inmersión.
La figura 4.49 muestra lo descrito.
El ataque químico permite hacer visible la microestructura y visualizar la zona
afectada por el calor, las zonas se muestran encerradas en un círculo rojo en la
figura 4.50.
109
Figura 4.49 Inmersión de la probeta M1 y M2 en el reactivo
(Fuente propia)
Figura 4.50 Visualización de la zona afectada por el calor en la probeta M1
(Fuente propia)
4.8.2 MACROGRAFÍA
Para la realización de macrografías, y una vez ataca la probeta se miró en el
microscopio, con la finalidad de observar a detalle las diferentes zonas del material.
Lo dicho se puede observar en la figura 4.51 (a) y (b).
Se utilizó el microscopio estereoscópico de barrido en el Laboratorio de Metalografía.
110
(a)
(b)
Figura 4.51 (a) Proceso de macrografía con el microscopio estereoscópico aplicado a la probeta M1. (b) Visualización de la ZAC en el microscopio.
(Fuente propia)
4.8.3 DUREZA
Para la medición de dureza se utilizó el durómetro modelo HR-150 A, facilitado en el
Laboratorio de Metalografía, tanto el equipo como el proceso aplicado al probeta M1
se indica en la figura 4.52.
Figura 4.52 Durómetro HR-150 A
(Fuente propia)
111
Los puntos para la medición de dureza se tomaron considerando el espesor de la
placa, la zona afectada por el calor, el tamaño de la soldadura y considerando
además una distancia que no afecte a cada punto de prueba debido a la indentación.
En el metal base, se realizó una separación de 2 [mm] entre cada indentación
logrando un total de 7 puntos de acuerdo a la longitud del lado derecho de la probeta
M1. En la figura los puntos del metal base son del 1 al 7.
En el metal de aporte de soldadura o zona de soldadura, se realizaron indentaciones
a distinto nivel, tomando en cuenta las pasadas realizadas en el proceso de
soldadura.
Para los puntos del 8 al 10 se realizó una separación de 3 [mm] entre cada
indentación a partir del punto medio (9).
Para los puntos 11 y 12 se tomó una separación de 2 [mm] a partir de punto medio
(10).
En la interfaz o zona de fusión se consideraron los puntos del 13 al 16 repartidos en
la trayectoria de la zona, tomando en cuenta la separación con otras zonas.
En la zona afectada por el calor se consideraron los puntos 17 y 18 en la parte media
del cuello, debido a que por el tamaño de la probeta y la distancia mínima que debe
existir entre cada medición no se podía establecer más puntos de prueba. La
repartición de los puntos de prueba se observa en la figura 4.53.
Figura 4.53 Barrido de dureza para la probeta M1
(Fuente propia)
112
4.8.4 MICROGRAFÍA
La micrografía se la realizó utilizando un microscopio metalográfico invertido marca
OLYMPUS modelo GX41, los lentes usados fueron 50x, 100x y 500x, el cual permite
observar la microestructura del material, el tamaño de grano y su tipo de matriz. La
comparación se la realizó usando la norma ASTM A-247 (Standard Test Method for
Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Casting). El equipo usado para este
propósito se indica en la figura 4.54.
Figura 4.54 Microscopio metalográfico invertido
(Fuente propia)
113
CAPÍTULO 5
5 ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1 RESULTADOS DEL PROCESO DE SOLDABILIDAD
5.1.1 RESULTADOS DE LA PRIMERA SERIE
En la primera serie las temperaturas utilizadas para precalentamiento fueron:
temperatura ambiente, 121 °C, 260 °C, 400 °C y 540 °C; los cordones de soldadura
realizados con las temperaturas mencionadas anteriormente deben ser
inspeccionados después de 24 horas visualmente (a) y con el método de tintas
penetrantes (b) como se indica en cada figura, con el fin de encontrar la temperatura
a la cual se presentan agrietamientos, dicha temperatura se denominará Tx.
5.1.1.1 Resultados a temperatura ambiente
La temperatura ambiente el día del ensayo fue de 18 °C, realizando inspección visual
no se aprecia defectos y de igual manera al aplicar tintas penetrantes no se
evidencia poros ni fisuras, sin embargo en el cráter al final del cordón se puede
identificar un rechupe, el cual no tiene influencia en éste estudio.
(a)
(b)
Figura 5.1 Resultados de ensayo de soldabilidad a Tamb
(Fuente propia)
114
5.1.1.2 Resultados a 121 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se aprecian poros, chisporroteo, fisuras
y la uniformidad se mantiene hasta el final. Nuevamente se observa un cráter al final
del cordón.
(a)
(b)
Figura 5.2 Resultados de ensayo de soldabilidad a 121°C
(Fuente propia)
5.1.1.3 Resultados a 260 °C
En el cordón que se realizó a ésta temperatura no se observa defectos en la
inspección visual, sin embargo al aplicar tintas penetrantes se logra reconocer fisuras
al inicio del cordón, es por este motivo que se la considera como Tx para el desarrollo
de las pruebas siguientes. Al final del cordón también se evidencia un cráter. Los
defectos encontrados se encuentran señalados con un círculo rojo, la figura 5.3 (c)
amplifica la visión de los mismos.
115
(a)
(b)
(c)
Figura 5.3 Resultados de ensayo de soldabilidad a 260°C
(Fuente propia)
5.1.1.4 Resultados a 400 °C
En el cordón que se realizó a ésta temperatura no se aprecian defectos en la
inspección visual ni al aplicar tintas penetrantes, lo dicho se observa en la figura 5.4.
(a)
(b)
Figura 5.4 Resultados de ensayo de soldabilidad a 400°C
(Fuente propia)
116
5.1.1.5 Resultados a 540 °C
En el cordón de soldadura que se realizó a ésta temperatura no se aprecian defectos
en la inspección visual ni al aplicar tintas penetrantes. El color rojizo de la probeta se
debe a una mala limpieza del penetrante.
(a)
(b)
Figura 5.5 Resultados de ensayo de soldabilidad a 540°C
(Fuente propia)
5.1.1.6 Análisis final de resultados de la primera serie
Después de realizar la inspección visual y aplicar el método de tintas penetrantes, se
determinó que las probetas soldadas a temperatura ambiente y con precalentamiento
de 121°C, 400 °C y 540 °C, no presentan discontinuidades o defectos que influyan en
el proceso. La probeta precalentada a 240 °C fue la única que presentó fisuras y se
denominó como Tx.
5.1.2 RESULTADOS DE LA SEGUNDA SERIE
En la segunda serie las temperaturas utilizadas para precalentamiento fueron: 288
°C, 316 °C, 343 °C y 371 °C; los cordones de soldadura realizados con las
temperaturas mencionadas anteriormente deben ser inspeccionados después de 24
horas visualmente (a) y con el método de tintas penetrantes (b) como se indica en
cada figura, con el fin de encontrar la temperatura a la cual se presentan
agrietamientos, dicha temperatura se denominará Ty.
117
5.1.2.1 Resultados a 288 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se aprecian defectos en la inspección
visual y tampoco se evidencia discontinuidades al aplicar el método de tintas
penetrantes como se puede observar en la siguiente figura.
(a)
(b)
Figura 5.6 Resultados de ensayo de soldabilidad a 288°C
(Fuente propia)
5.1.2.2 Resultados a 316 °C
El cordón realizado a ésta temperatura no evidencia defectos en la inspección visual
pero al aplicar el método de tintas penetrantes se observa una fisura al inicio del
cordón, éste defecto está señalado con un círculo rojo en la figura 5.7 (b) y se lo
puede observar de mejor manera en la ampliación de figura 5.7 (c). Aplicando el
criterio de presencia de defectos se toma ésta temperatura como Ty. Al final del
cordón existe la presencia de un cráter común en todos los cordones de soldadura.
(a)
(b)
Figura 5.7 Resultados de ensayo de soldabilidad a 316°C (Fuente propia)
118
(c)
Figura 5.8 Ampliación del defecto
(Fuente propia)
5.1.2.3 Resultados a 343 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se evidencian discontinuidades en la
inspección visual y tampoco se observa defectos al aplicar el método de tintas
penetrantes.
(a)
(b)
Figura 5.9 Resultados de ensayo de soldabilidad a 343°C
(Fuente propia)
5.1.2.4 Resultados a 371 °C
En el cordón que se realizó a ésta temperatura no se evidencian discontinuidades en
la inspección visual y tampoco se observa defectos al aplicar el método de tintas
penetrantes, como se puede observar en la figura 5.10.
119
(a)
(b)
Figura 5.10 Resultados de ensayo de soldabilidad a 371°C
(Fuente propia)
5.1.2.5 Análisis final de resultados de la segunda serie
Después de realizar la inspección visual y aplicar el método de tintas penetrantes, se
determinó que las probetas soldadas con precalentamiento a 288°C, 343 °C y 371
°C, no presentan discontinuidades o defectos que influyan en el proceso. La probeta
precalentada a 316 °C fue la única que presentó fisuras y se denominó como Ty.
5.1.3 RESULTADOS DE LA TERCERA SERIE
En la tercera serie las temperaturas utilizadas para precalentamiento fueron: 322 °C,
327 °C, 333 °C y 338 °C; los cordones de soldadura realizados con las temperaturas
mencionadas anteriormente deben ser inspeccionados después de 24 horas
visualmente (a) y con el método de tintas penetrantes (b) como se indica en cada
figura, con el fin de encontrar la temperatura a la cual no se presenten fisuras o
discontinuidades, ésta temperatura será tomada como la temperatura de
precalentamiento final para las placas a soldar.
5.1.3.1 Resultados a 322 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se evidencian discontinuidades en la
inspección visual y tampoco se observa defectos al aplicar el método de tintas
penetrantes.
120
(a)
(b)
Figura 5.11 Resultados de ensayo de soldabilidad a 322°C
(Fuente propia)
5.1.3.2 Resultados a 327 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se evidencian discontinuidades en la
inspección visual y tampoco se observa defectos al aplicar el método de tintas
penetrantes, además posee mejor uniformidad y estabilidad del arco, por lo cual se
define ésta temperatura como la ideal para el proceso de precalentamiento de las
placas que se desea soldar, lo dicho anteriormente se puede observar en la figura
5.12.
(a)
(b)
Figura 5.12 Resultados de ensayo de soldabilidad a 327°C
(Fuente propia)
121
5.1.3.3 Resultados a 333 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se observan defectos en la inspección
visual y tampoco se evidencian discontinuidades al aplicar el método de tintas
penetrantes.
(a)
(b)
Figura 5.13 Resultados de ensayo de soldabilidad a 323°C
(Fuente propia)
5.1.3.4 Resultados a 338 °C
En el cordón realizado a ésta temperatura no se evidencian discontinuidades en la
inspección visual y tampoco se observa defectos al aplicar el método de tintas
penetrantes.
(a)
(b)
Figura 5.14 Resultados de ensayo de soldabilidad a 338°C
(Fuente propia)
122
5.1.3.5 Análisis final de resultados de la tercera serie
Después de realizar la inspección visual y aplicar el método de tintas penetrantes, se
determinó que ninguna de las probetas soldadas presenta discontinuidades o fisuras,
por lo cual aplicando el criterio de homogeneidad y estabilidad del arco se procede a
determinar que la temperatura de 327 °C es la escogida para el precalentamiento de
las placas a soldar. Al no presentarse defectos en los cordones en ésta serie se
puede asegurar la calidad de la soldadura.
5.1.4 RESULTADOS DEL CORDÓN DE SOLDADURA DE LAS PLACAS
Después de terminar el proceso de soldadura se procedió a limpiar la unión formada
por las placas para poder realizar una inspección visual y posteriormente aplicar el
método de tintas penetrantes. El cordón de soldadura que une las placas presenta
porosidades al inicio y al final. La figura 5.15 (b) evidencia los defectos señalados en
un círculo rojo, los cuales están amplificados en la imagen 5.16 (a) y (b), los defectos
señalados en verde son propios del material base.
(a)
(b)
Figura 5.15 Resultados del cordón de soldadura en las placas
(a) Inspección Visual. (b) Inspección con tintas penetrantes
(Fuente propia)
123
(a) (b)
Figura 5.16 (a), (b) Ampliación de los defectos del cordón de soldadura en las placas
(Fuente propia)
5.2 RESULTADOS DE ENSAYOS DESTRUCTIVOS
La tenacidad a la fractura de la fundición nodular fue evaluada en el Laboratorio de
Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Escuela Politécnica Nacional. El informe
técnico facilitado indica los resultados obtenidos para el ensayo de tracción, doblado
de cara y raíz. El informe se encuentra en el ANEXO 5.
5.2.1 ENSAYO DE TRACCIÓN
De acuerdo a la norma ASTM A 536-84 (2014), los requerimientos de tensión para la
fundición nodular de grado 65-45-12, son los siguientes:
Tabla 5.1 Requerimientos de tensión 99
GRADO 65-45-12
Resistencia a la tracción mínimo [MPa] 448
Límite de fluencia mínimo [MPa] 310
Elongación en 50 mm mínimo (%) 12
99 ASTM A536-84(2014) Standard Specification for Ductile Iron Castings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014,
124
Debido a que los ensayos se realizaron en la máquina universal de ensayos descrita
en el capítulo anterior, no se cuenta con un gráfico de la cuerva esfuerzo-
deformación mediante datos de computadora. La fundición nodular es un material
frágil que no tiene un punto de fluencia bien definido su resistencia es menor a la del
acero, los resultados de cada probeta se indicaran a continuación.
5.2.1.1 Probeta T1
Los resultados obtenidos muestran un valor de resistencia a la tracción máxima de
466,9 [MPa], superando el valor mínimo establecido por la ASTM A 536-84 (2014),
que se especifica en la tabla 5.1. Presenta un porcentaje de elongación de 5,3% en
50 [mm] que es menor al indicado en la norma citada anteriormente (12%); el
resultado equivale a 2,65 [mm] y evidencia una rotura frágil de la fundición nodular de
grado 65-45-12. La figura 5.17 muestra la rotura de la probeta T1.
Figura 5.17 Rotura de probeta T1
(Fuente propia)
El valor de resistencia máxima obtenido demuestra que el proceso de soldadura
GTAW aplicado a la fundición nodular en la probeta T1 garantiza una buena
soldabilidad, debido a que la rotura se presenta fuera del cordón de soldadura; sin
embargo al presentarse en la ZAC evidencia cambios micro-estructurales que
influyen en la dureza, lo dicho se puede observar en la figura 5.18 con las medidas
respectivas.
125
Figura 5.18 Medidas en la rotura de la probeta T1
(Fuente propia)
Figura 5.19 Fractura de la probeta T1
(Fuente propia)
De acuerdo a la figura 5.20 se determina que la fractura es frágil, presenta
superficies brillosas y lisas en la zona 1 y zona 2, no presenta deformación plástica
en la parte superior. En la superficie se aprecia cierta cantidad de poros en el
material base producidos durante el proceso de fundición de las placas, estos
defectos suelen ocurrir debido al espesor pequeño de la fundición. Están señalados
en la figura 5.20 (b) con círculos rojos.
En la zona 2 se puede observar marcas de rio que convergen en un punto indicando
el inicio de la fractura. Este tipo de superficie de fractura se da por la rotura brusca
del material lo que permite la formación de planos de clivaje. Se observa que el inicio
de la fractura y de las marcas de río son en la parte superior de la probeta.
126
(a) (b)
Figura 5.20 (a) Zona 1, parte derecha del cordón, parte inferior afectada en la raíz
(b) Zona 2, parte izquierda del cordón, parte inferior afectada en la raíz
(Fuente propia)
5.2.1.2 Probeta T2
Los resultados obtenidos muestran un valor de resistencia a la tracción máxima de
480,9 [MPa], superando el valor mínimo establecido por la norma ASTM A 536-84
(2014), que se especifica en la tabla 5.1. Presenta un porcentaje de elongación de
5,8% en 50 [mm] que es menor al indicado en la norma mencionada anteriormente
(12%). El resultado equivale a 2,9 [mm], evidenciando una rotura frágil pero
mostrando mayor ductilidad con respecto a la anterior probeta de fundición nodular
grado 65 - 45 -12. La figura 5.21 indica la rotura de la probeta en el ensayo de
tracción.
Figura 5.21 Rotura de la probeta T2
(Fuente propia)
127
El valor de resistencia máxima obtenido demuestra que el proceso de soldadura
GTAW aplicado a la fundición nodular en la probeta T2 garantiza una buena
soldabilidad, debido a que la rotura se presenta fuera del cordón de soldadura; sin
embargo al presentarse en la ZAC evidencia cambios micro-estructurales que
influyen en la dureza, como se indica en la figura 5.22.
Figura 5.22 Rotura de la probeta T2
(Fuente propia)
Figura 5.23 Fractura de la probeta T2
(Fuente propia)
De acuerdo a la figura 5.24 se observa que la fractura es frágil, se visualiza
superficies brillosas y lisas en ambas zonas de la probeta T2. Además se puede
apreciar marcas de río que convergen en el punto superior que se extienden de
forma longitudinal y transversal por el material, permitiendo la formación de planos de
clivaje, el inicio de las marcas de río se señala con un círculo rojo en la figura 5.24
(a).
La parte superior presenta cierta ductilidad debido que es la zona de fusión entre el
material base y el cordón de soldadura.
128
(a) (b)
Figura 5.24 Superficies de rotura de la probeta T2
(a) Zona 1, parte derecha y superior del cordón, afectada en la sobre monta
(b) Zona 2, parte izquierda y superior del cordón, afectada en la sobre monta
(Fuente propia)
5.2.2 ENSAYO DE DOBLADO
Dado que el material soldado es frágil, no se completó el doblado como se suele ser
en el acero, sino que se midió el ángulo al cual empieza la fisura en el material, el
inicio de la fisura se muestra en la figura 5.25.
Figura 5.25 Inicio de fisura en la probeta
(Fuente propia)
129
5.2.2.1 Probeta DC
La probeta de doblado de cara no presentó facilidad de doblado. Se registró una
fisura inicial en un ángulo de 150° entre los extremos, tal como lo muestra la figura
5.26.
(a)
(b)
Figura 5.26 (a) Ángulo de doblado de probeta Dc
(b) Ampliación y señalización del ángulo de fisura
(Fuente propia)
La zona de rotura corresponde al área de fusión del material base y material de
aporte de soldadura como se puede observar en la figura 5.27. La rotura se debe a la
fragilidad que presenta la ZAC, debido a que existe aumento de dureza ocasionado
por un cambio microestructural con presencia de cementita; lo dicho se corrobora en
la tabla 5.5 con respecto a dureza y la tabla 5.9 con respecto a la microestructura.
130
(a)
(b)
(c)
Figura 5.27 Fisura propagada a lo largo de la zona de fusión en la probeta Dc
(a) Vista superior de la fisura en la cara. (b) Ampliación de la zona de fisura
(c) Vista lateral de la propagación de la fisura
(Fuente propia)
5.2.2.2 Probeta DR
Dado que se trata de un material frágil, no presentó facilidad en el ensayo de doblado
de raíz. La figura 5.28 muestra que la probeta de doblado de raíz presenta una fisura
inicial en un ángulo de 142° entre los extremos.
131
(a)
(b)
Figura 5.28 (a) Ángulo de doblado de probeta DR. (b) Ampliación y señalización del ángulo de fisura.
(Fuente propia)
La zona de rotura corresponde al área de soldadura entre el material base y material
de aporte de soldadura, esto se muestra en la figura 5.29. La rotura se debe a la
fragilidad que presenta la ZAC, debido al aumento de dureza ocasionado por un
cambio microestructural del material, el cual presenta cementita; lo dicho se
corrobora en la tabla 5.5 con respecto a dureza y la tabla 5.9 con respecto a la
microestructura.
132
(a)
(b)
(c)
Figura 5.29 Fisura propagada en la raíz del cordón de soldadura en la probeta DR
(a) Vista superior de la fisura en la raíz. (b) Ampliación de la zona de fisura.
(c) Vista lateral de la propagación de la fisura.
(Fuente propia)
5.3 RESULTADOS DE METALOGRAFÍA
5.3.1 MACROGRAFÍA
En la macrografía realizada a la probeta M1 con ampliación de 0,5X equivalente a 2
[mm] de ampliación se observa las tres zonas principales: Zona afectada por el calor
(ZAC), Zona de fusión y Zona de material de aporte. Además se puede observar un
poro atrapado entre la zona de fusión y el depósito de material de aporte. Las zonas
se indican en la figura 5.30 y corresponden a ambos lados del cordón.
133
(a) (b)
Figura 5.30 Zonas en la ZAC
(Fuente propia)
En la figura 5.31 se distinguen los pases realizados durante el proceso de soldadura.
En el segundo pase se observa la presencia de un poro, que se define como una
inclusión no metálica y puede estar dada por: inclusiones de escoria, óxidos
metálicos, silicatos o carbón. Posiblemente el poro es el resultado de una deficiente
limpieza del maquinado entre los pases de soldadura.
Figura 5.31 Pases de soldadura
(Fuente propia)
134
La zona de soldadura corresponde un área transversal de 63,72 [mm2] y el poro
encontrado corresponde un diámetro mayor de 1,04 [mm], indicado en la figura 5.32.
Figura 5.32 Área del cordón de soldadura
(Fuente propia)
La zona afectada por el calor (ZAC) corresponde un área total de 30,35 [mm2],
tomando en cuenta la zona izquierda y derecha. La figura 5.33 muestra el área de la
zona afectada por el calor en la probeta.
Figura 5.33 Área de la ZAC en cada región del cordón de soldadura
(Fuente propia)
5.3.2 DUREZA
En el ensayo realizado a la probeta M1. Para el metal base, se utilizó un indentador
[HB] tomando en cuenta la dureza estándar de la fundición nodular de grado 65-45-
12 es 95 [HRB].
Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla, de acuerdo a la selección
de los puntos de indentación especificados en la sección 4.8.3.
135
Tabla 5.2 Resultados del barrido de dureza en el metal base
Punto de prueba (Pi) 1 2 3 4 5 6 7
Dureza [HRB] 91 93 92 95 95 95 96
Dureza [HB] 187 198 193 209 209 209 214
(Fuente propia)
De los siete puntos se eliminó el valor más bajo y el más alto para considerar la
dureza media en el metal base, de acuerdo a la ecuación 5.1 para obtener la media
de los valores de prueba.
(Ec. 5.1)
La dureza obtenida se encuentra dentro del rango de dureza nominal del material,
(170-207 HB), que se especifica en la tabla 1.2. Lo que da a entender que no hubo
transformación de estructura cristalina durante el proceso realizado (mecanizado y
soldadura).
En la zona del metal de soldadura o metal de aporte, se utilizó el indentador [HRB]
tomando en cuenta la dureza estándar del electrodo Ni-55 utilizado durante el
proceso de soldadura que es de 94 [HRB]. Los resultados obtenidos se muestran en
la siguiente tabla.
136
Tabla 5.3 Resultados del barrido de dureza en el metal de aporte
Punto de prueba (Pi) 8 9 10 11 12
Dureza [HRB] 94 86 91 89 83
Dureza [HB] 204 166 187 178 157
(Fuente propia)
En el punto 8 que comprende la zona del primer pase se tiene mayor dureza, debido
a la concentración de calor que se aporta al estar entre las capas de soldadura del
segundo y el pase de refuerzo. Los puntos correspondientes al segundo y tercer
pase muestran durezas similares. En el punto de prueba 11 y 12 que comprenden el
lado izquierdo y derecho respectivamente del tercer pase se tiene una diferencia
razonable de dureza que puede ser el resultado de un deficiente aporte de calor
debido al movimiento de la torcha durante el proceso en el último pase.
En la interfaz o zona de fusión, se hizo un punto de prueba debido a que se trata de
una zona de alta concentración de calor, por lo que al realizarse con indentador
[HRB] el resultado fue erróneo, entonces se utilizó un indentador [HRC] para obtener
valores de dureza más altos. Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 5.4 Resultados del barrido de dureza en la zona de fusión
Punto de prueba (Pi) 13 14 15 16
Dureza [HRC] 21 22 29 23
Dureza [HB] 231 238 278 242
(Fuente propia)
Se puede observar que existe mayor dureza en la zona inferior del cordón, en
particular en la parte izquierda, correspondiente a la sección entre el primer pase de
soldadura y el pase de refuerzo, la cual está expuesta a altas temperaturas y
cambios micro-estructurales.
137
En la zona afectada por el calor (ZAC), se utilizó un indentador [HRC]. Los resultados
obtenidos se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 5.5 Resultados del barrido de dureza en la ZAC
Punto de prueba (Pi) 17 18
Dureza [HRC] 29 27
Dureza [HB] 278 266
(Fuente propia)
Se puede observar que existe mayor dureza, debido a la concentración de calor que
se da durante el proceso de soldadura; la geometría del cordón influye en la
disipación del calor que se da en esta zona por ser de menor área.
5.3.3 MICROGRAFÍA
Las muestras que se usaron fueron atacadas con nital al 10%, se analizó una
probeta, dejando la otra libre para ensayos macroscópicos y medición de dureza.
5.3.3.1 Análisis de tamaño y tipo de grafito
Haciendo una comparación entre los resultados obtenidos y las fotografías de la
norma ASTM A-247, se puede evidenciar que el grafito es de tamaño 5 y 6; el tipo de
grafito es I y III. Todas las comparaciones están hechas con imágenes aumentadas a
100X.
138
Tabla 5.6 Comparación del tipo de grafito
Figura 5.34 Micrografía del material base a 100x.
(Fuente propia)
Figura 5.35 Tipo de grafito100
Tabla 5.7 Comparación del tamaño de grafito
Figura 5.36 Micrografía del material base a 100x
(Fuente propia)
Figura 5.37 Tamaño de grafito101
100 ASTM A 247, (2016), Standard Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings, 3.
139
5.3.3.2 Diferentes zonas presentes en la micrografía
Al realizar el análisis metalográfico se puede observar las diferentes zonas que
conforman el material, la zona del material base (MB),la zona afectada por el calor
(ZAC), la zona de fusión (ZF) que tiene formaciones dendríticas y la zona del cordón
de soldadura (ZCS). Las zonas presentes se pueden distinguir en la figura 5.38.
Figura 5.38 Diferentes zonas del material base a 100x.
(Fuente propia)
5.3.3.3 Tipo de matriz presente en la micrografía
Al realizar la comparación entre los resultados obtenidos de la metalografía y las
fotografías del ASM HANDBOOK, se puede observar que la matriz presente en el
material base es Perlítica-Ferrítica. Todas las comparaciones están hechas con
imágenes aumentadas a 100X y se presentan en la figura 5.39 y figura 5.40.
140
Tabla 5.8 Comparación del tipo de matriz en el material base
Figura 5.39 Micrografía
del material base a 100x.
(Fuente propia)
Figura 5.40 Tipo de matriz101
Tabla 5.9 Comparación del tipo de matriz en la zona de fusión
Figura 5.41 Micrografía de
la zona de fusión a 100x.
(Fuente propia)
Figura 5.42 Matriz de fundición blanca102
101 ASM HANDBOOK, (2004), Metallography and Microstructures, (9), 1368. 102 Castro, G. (s/f). Fundiciones. Departamento de Ingeniería Mecánica. 7.
141
En la microestructura de la zona de fusión se puede evidenciar una matriz perlítica
en descomposición con presencia de cementita. La cementita contribuye al aumento
de dureza y fragilidad del material y es producido por un enfriamiento brusco,
causado probablemente por la diferencia de temperatura entre la placa soldada y la
arena sílice en la cual se enfrió. El enfriamiento produce una micro-estructura
inestable que se asemeja a la micro-estructura de una fundición blanca parcial, que
se observan en las zonas encerradas en un círculo rojo en la figura 5.41.
5.3.4 ANÁLISIS FINAL
La temperatura de precalentamiento experimental de 327 ºC aplicada a las placas de
fundición, corrobora que es una temperatura óptima para obtener una soldabilidad
aceptable. El valor máximo del resultado del ensayo de tracción es 480,9 [MPa] y
supera el valor de resistencia a la tracción de la norma cuyo valor es 448 [MPa], lo
cual es aceptable; así mismo el ensayo de doblado indica que la fractura se produce
en la zona afectada por el calor que tiene una dureza superior con respecto a la
dureza del metal base y a la dureza del material de aporte. La microestructura de la
zona afectada por el calor indica presencia de cementita.
Durante el proceso de soldadura al realizar el cordón de raíz, con el paso de la
amoladora y la grata, se produjo un cambio en la geometría de la junta; lo cual
provoco que los pases superiores y el pase de raíz estén separados por el material
base con área reducida, ésta área sufrió una concentración de calor y debido a esto
se produjo la descomposición de la matriz ferrítica - perlítica.
Estos resultados ayudan a mejorar el conocimiento acerca de la soldadura en
fundiciones y crean un precedente para el uso de este proceso para usarlo en
mantenimiento o reparación de elementos de hierro nodular.
142
CAPÍTULO 6
6 CONSIDERACIONES PARA LA ELABORACIÓN DEL
PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA
6.1 PROCEDIMIENTO
Para soldar planchas con espesor menor a 5 [mm] se requiere realizar ciertos
procesos que permitan obtener con exactitud las dimensiones requeridas.
6.1.1 MAQUINADO DE PROBETAS
· Tomar las medidas de las dimensiones de la pieza en bruto, para conocer la
cantidad de material a desbastar.
· Escoger la máquina-herramienta a utilizar para reducir las dimensiones del
material (limadora, fresadora, torno, rectificadora).
Figura 6.1 Maquinado de material base
(Fuente propia)
· Maquinar las probetas hasta alcanzar las dimensiones especificadas en la
sección 2.1.1 del capítulo 4.
· Realizar un agujero en uno de los extremos de las probetas tomando en
cuenta las consideraciones detalladas en la sección 4.3 del capítulo 4.
143
6.1.2 PRECALENTAMIENTO DE PROBETAS
· Calcular el régimen de tratamiento térmico siguiendo las indicaciones en la
sección 5.1 del capítulo 4.
· Con la ayuda de una entenalla, realizar el cordón de soldadura en una de la
superficie de los tochos.
Figura 6.2 Cordón de soldadura en una de las caras del tocho
(Fuente propia)
· Controlar la temperatura con la ayuda de un termómetro o pirómetro.
· Dejar enfriar durante 24 horas el cordón de soldadura.
· Realizar una limpieza de la superficie con grata o cepillo metálico.
· Aplicar tintas penetrantes para determinar discontinuidades y defectos
presentes en el cordón.
Figura 6.3 Aplicación de tinta penetrante y revelador
(Fuente propia)
144
· Después de terminar cada serie, escoger el dato de temperatura con el cual
se va a trabajar en la siguiente serie.
· Determinar el valor de la temperatura de precalentamiento de las placas.
6.1.3 SOLDADURA DE PLACAS
· Configurar el equipo de soldadura según las especificaciones de la sección
3.9.
· Realizar el bisel de soldadura según la sección 5.5 del capítulo 4.
· Para evitar defectos de deformación soldar puentes o respaldos entre las
placas y platinas en los extremos del espacio destinado al cordón de
soldadura.
Figura 6.4 Colocación de respaldo y platinas
(Fuente propia)
· Fijar la placa a la mesa de trabajo con la ayuda de una prensa manual.
· Precalentar las placas a la temperatura calculada mediante un soplete a gas.
145
Figura 6.5 Calentamiento de la placa con soplete a gas
(Fuente propia)
· Controlar la temperatura con la ayuda de un termómetro o pirómetro.
· Después de cada pase realizar la limpieza del cordón usando la grata y la
moladora.
Figura 6.6 Limpieza del cordón de soldadura con moladora
(Fuente propia)
· Una vez terminado todos los pases, dejar enfriar dentro del horno o en arena
sílice.
· Apagar el equipo y cerrar la válvula de paso del gas.
· Después de 24 horas retirar los respaldos y platinas, verificando que no exista
deformaciones.
146
6.1.4 INSPECCIÓN DE LA SOLDADURA
· Realizar una limpieza de la superficie con grata o cepillo metálico.
· Limpiar la superficie del cordón con una lija 240.
· Realizar la inspección visual del cordón de soldadura.
· Tomar las medidas de la sobremonta y de la raíz del cordón de soldadura.
· Aplicar la tinta penetrante en la superficie del cordón y esperar 10 min.
· Remover el exceso de tinta penetrante con un paño limpio hasta dejar la
superficie limpia.
Figura 6.7 Remoción del exceso de tinta penetrante
(Fuente propia)
· Aplicar el revelador en la superficie del cordón y esperar 15 min.
· Observar si existen defectos y tomar fotografías de los mismos.
· Limpiar la superficie aplicando el removedor indicado para cada método.
· Diseñar el cupón de soldadura como se establece en la sección 5.5 del
capítulo 4, para realizar las pruebas de soldabilidad y ensayos destructivos.
6.2 MATERIALES Y EQUIPOS
6.2.1 MATERIALES
· 13 Tochos de Fundición Nodular 65-45-12
· 2 placas de Fundición Nodular 65-45-12
· Calibrador pie de rey
147
· Cuchilla de acero rápido
· Piedra para rectificar (5” x ¾” x 1 ¼”)
· Broca (5 mm)
· Arco de sierra
· Lima manual
· Disco de desbaste 2 x ¼” x 7/8”
· Entenalla
· Guaipe
· Equipo de Protección Personal
· Electrodo NiFe-Cl (Ø4mm)
· Grata
· Prensa manual
· Tanque de gas de Argón
· Reverbero a gas
· Cepillo metálico
· Combo
· Soplete a gas
· Termómetro
· Pirómetro
· Termocupla tipo K
· Tintas penetrantes solubles en agua
· Carbón
· Arena sílice
· Cámara fotográfica
· Documentos de calificación (WPS, PQR, WPQ)
· Normas Técnicas
· Recipientes para carbón
148
6.2.2 EQUIPOS
· Limadora
· Torno
· Rectificadora
· Taladro vertical
· Horno eléctrico
· Soldadora TIG
6.3 PROBLEMAS COMÚNES DURANTE EL PROCESO DE
SOLDADURA103
6.3.1 ERRORES EN LAS CONEXIONES DE LA MÁQUINA
· Defecto: La máquina no enciende.
Causa(s): El enchufe de alimentación esta desconectado.
La máquina está conectada a una fuente de alimentación más baja
de lo requerido.
Solución(es): Revisar que los cables estén correctamente conectados.
Verificar que las condiciones de las instalaciones correspondas
a las requeridas por el equipo.
· Defecto: No hay voltaje de salida.
Causa(s): Existe daño en el circuito de alimentación.
Solución(es): Revisar el circuito principal y notifique al proveedor.
6.3.2 ERRORES EN EL PROCEDIMIENTO TIG
· Defecto: Dificultad para encender el arco.
Causa(s): Falta de gas de protección.
Electrodo contaminado o mojado.
103 GAMMA. (s/f). Manual de Uso/Manutención. Soldadora TIG 160 Inverter. 12 – 13.
149
Solución(es): Revisar la válvula de paso de gas protector.
Mantener los electrodos en un lugar seco.
· Defecto: No hay flujo de gas.
Causa(s): La válvula del cilindro está cerrada o hay poco gas.
Algo traba la válvula.
La válvula está dañada.
Solución(es): Abra totalmente la válvula o cambie el cilindro
Retire la obstrucción de la válvula.
Cambie la válvula.
· Defecto: El electrodo se consumen rápidamente.
Causa(s): La corriente es demasiada alta para el diámetro del electrodo.
Solución(es): Escoger correctamente el diámetro del electrodo de acuerdo
al espesor del material.
· Defecto: El arco se desvía.
Causa(s): El electrodo es demasiado grueso respecto a la corriente escogida.
El conector de masa está conectado incorrectamente.
Solución(es): Escoger correctamente el diámetro del electrodo de acuerdo a
las especificaciones del equipo.
Conectar correctamente el borne de masa.
6.4 PRECAUCIONES GENERALES104
Todas las personas que requieran usar la máquina, deben seguir las instrucciones de
seguridad y de uso dispuestas por el personal técnico. El operador debe conocer el
comportamiento de la máquina para evitar el mal uso o la utilización incorrecta de la
misma. Nuestra seguridad depende de nosotros mismos. A continuación se detalla
algunos riesgos propios del proceso.
104 GAMMA. (s/f). Manual de Uso/Manutención. Soldadora TIG 160 Inverter. 2 – 4.
150
6.4.1 FUEGO
· Mantener cerca de la zona de soldadura dispositivos contra incendios.
· Retirar de la zona de soldadura cualquier tipo de material inflamable.
· Permitir enfriar el material soldado antes de tocarlo o de ponerlo en contacto
con materiales inflamables.
· No realizar soldaduras en recipientes que hayan contenido combustibles o
lubricantes, así éstos se encuentren vacíos.
Figura 6.8 Riesgo de incendio al soldar105
6.4.2 HUMO
· Trabajar en espacios que dispongan de una ventilación adecuada.
· Colocar extractores de vapor o humo, de preferencia debajo de la zona de
soldadura.
· Utilizar mascarillas o respiraderos apropiados para el proceso de soldadura.
105 INDURA. (s/f). Catálogo de Electrodos, 6.
151
Figura 6.9 Uso de extractores de vapor al soldar106
6.4.3 EXPLOSIONES
· No realizar soldaduras cerca de recipientes a presión.
· Evitar soldar en ambientes que tengan polvo, gas o vapores explosivos.
6.4.4 QUEMADURAS
· Evitar quemaduras causadas por las chispas o residuos de metal fundido
utilizando vestimenta que cubra la superficie del cuerpo expuesto.
· Utilizar equipo de protección personal adecuado.
· Usar casco de soldadura con vidrio de protección.
6.4.5 SHOCK ELÉCTRICO
El shock eléctrico puede causar la muerte y es potencialmente fatal.
· Usar guantes y prendas de vestir aislantes para evitar descargas a tierra.
· Evitar usar prendas de vestir (guantes, zapatos, gorras) húmedos o mojados.
· Evitar apoyarse en la pieza que se va a soldar.
· Realizar periódicamente revisiones y mantenimiento del equipo.
106 INDURA. (s/f). Catálogo de Electrodos, 6.
152
Figura 6.10 Riesgo de shock eléctrico107
6.5 TÉRMINOS GENERALES 108
· Electrodo de tungsteno.- electrodo de alambre de tungsteno, no es
consumible, se lo utiliza en el proceso de soldadura por arco eléctrico TIG.
· Fundente.- material usado para disolver o evitar la formación de óxido e
inclusiones.
· Longitud de arco.- distancia entre el extremo del electrodo y el lugar donde el
arco hace contacto con la superficie de trabajo.
· Metal base.- metal que se va a soldar.
· Penetración.- es la distancia que la zona de fusión se extiende por debajo de
la superficie.
107 INDURA. (s/f). Catálogo de Electrodos, 6. 108 VENETOOL. (s/f). Manual de Soldadura. Proceso TIG/GTAW. 3.
153
CAPÍTULO 7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES
· La fundición nodular material del cual se fabrican accesorios para la Empresa
Municipal de Agua Potable del Distrito Metropolitano de Quito tiene
características entre la variedad de fundiciones que permiten realizar procesos
de unión, ya sea para soldar materiales que sean de la misma naturaleza o para
realizar procesos de recuperación en los mismos, las propiedades químicas son
indispensables para mantener las características del material
· La fundición nodular de grado 65-45-12 es soldable por el proceso GTAW
utilizando varillas de en base de níquel, como parámetro principal se debe tomar
en cuenta que solo el núcleo del electrodo sirve para el proceso TIG como
material de aporte.
· La temperatura de soldabilidad experimental para la fundición nodular mediante
el proceso GTAW es de 327 °C, similar a la señalada por la Norma ANSI-AWS
D11.2 R (2006), esta temperatura permite la unión del material garantizando una
buena penetración sin disminuir la resistencia del material base.
· La microestructura que presenta la fundición nodular pos soldadura demuestra
que si existe cambio micro-estructural con respecto a la estructura del material
base lo cual influye en las propiedades mecánicas, haciendo que los valores
obtenidos sean mayores a los que se presentan en la norma.
· El cambio de la geometría en la junta durante el proceso de soldadura ocasiona
cambios de la microestructura en la zona de fusión, que le otorgan al material
mayor dureza pero a la vez aumenta su fragilidad.
· El proceso de soldadura GTAW permite realizar reparaciones o mantenimiento
en determinados componentes de espesores pequeños, aunque se debe analizar
el costo de reparación con el costo de fabricación de un nuevo elemento, para
154
poder escoger el proceso más conveniente.
· El precalentamiento del material base antes de ser soldado es un procedimiento
esencial, debido a que reduce las posibilidades de fisura, agrietamiento o falta de
penetración en el cordón de soldadura.
· Los ensayos destructivos y no destructivos permiten valorar la calidad de la
soldadura, así como también ayudan a evaluar las propiedades mecánicas de la
soldadura en conjunto con el material base.
· Las cualidades de las piezas de pequeños espesores están condicionadas por su
calidad metalúrgica, las propiedades mecánicas son muy dependientes de los
defectos micro-estructurales presentes.
· Los defectos disminuyen la resistencia y la ductilidad de las piezas y generan
gran dispersión de resultados en los ensayos mecánicos, por eso para evaluar
propiedades en pequeños espesores debemos producir piezas estructuralmente
sanas.
· La utilización de simulación en computadora permite optimizar las variables de
colada y diseñar moldes a partir de los cuales pueden obtenerse placas de
espesores delgados libres de defectos de colada, tanto micro como macro-
estructurales. Otras variables operativas tales como la composición química
pueden influir significativamente en la sanidad de las piezas.
· El exceso de carbono en la composición del hierro nodular influye en la
disminución de la elongación del material cuando éste está sometido a cargas de
tracción.
· Cuando el material se calienta durante el proceso de soldadura, la matriz se
enriquece de carbono, debido al enfriamiento rápido en la zona afectada por el
calor, pueden formarse fases duras y frágiles que causan agrietamiento o micro
fisuras. Debido a estos factores metalúrgicos, los hierros fundidos son más
difíciles de soldar que los aceros al carbono.
155
7.2 RECOMENDACIONES
· Unos de los limitantes que se considera al final de este proyecto es que el
proceso GTAW es un método apto para soldar espesores pequeños, por este
motivo se recomienda utilizar otros procesos que permitan la unión de
materiales de mayor espesor como son las rejillas de alcantarillado.
· Es necesario conocer la composición química del material a trabajar debido a
que alguna alteración en el proceso de fabricación modifica las propiedades
del mismo, convirtiéndolo en un material extremadamente duro para realizar
procedimientos de desbaste.
· Es recomendable seleccionar correctamente el tipo de tinta penetrante que se
utilizará en el proceso de inspección, debido a que algunos materiales
reaccionan con los elementos que poseen las tintas.
· El factor humano es una consideración importante al momento de realizar un
proceso de soldadura, por este motivo es recomendable contar con el servicio
de un soldador calificado en el proceso de soldadura GTAW con el fin de evitar
errores o defectos en el proceso.
· Debido a que el proceso de soldadura GTAW produce temperaturas elevadas,
se recomienda usar equipos de protección personal para evitar accidentes de
trabajo o afecciones a la salud del soldador.
· Se recomienda que el proceso de precalentamiento de las placas así como de
los tochos se lo realice en un lugar cercano al puesto de trabajo del soldador,
para evitar pérdida de temperatura al momento de trasladar la pieza.
· Durante el proceso de soldadura se recomienda mantener la geometría de la
junta, con el fin de evitar áreas de material base aislado que concentran calor
y modifican la micro-estructura del material.
156
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160
ANEXOS
161
ANEXO 1: PLANO DE LA PLACA A SOLDAR
162
ANEXO 2: PLANO DEL TOCHO
163
ANEXO 3: COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL MATERIAL BASE
164
165
ANEXO 4: CALIFICACIÓN DEL SOLDADOR EN PROCESO DE SOLDADURA GTAW
166
ANEXO 5: ENSAYO DE TRACCIÓN
167
168
169
ANEXO 6: DOCUMENTOS DE CALIFICACIÓN DEL PROCESO
170
171
ANEXO 7: ENSAYO DE TRACCIÓN EMPRESA FUNDIEC S.A